在通过血氧水平依赖性功能磁共振成像（BOLD fMRI）确认相应的躯体感觉桶状区皮层区域（称为S1BF）被正确激活后，本研究的主要目标是利用7 T局部质子磁共振波谱（1H-MRS）定量检测活化大鼠脑组织中乳酸含量的波动。
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摘要
摘要
核磁共振（NMR）波谱法可用于测量脑内代谢物含量 体内 并具有非侵入性。得益于过去十年的技术进步以及磁场强度的提升，如今已能够获得高分辨率的谱图 体内 大鼠脑中。神经能量学（即近年来，脑代谢研究以及不同细胞类型之间的代谢相互作用引起了越来越多的关注。在这些代谢相互作用中，神经元与星形胶质细胞之间是否存在乳酸穿梭仍存在争议。因此，开展功能性质子磁共振波谱（proton magnetic resonance spectroscopy, ¹H-MRS）研究具有重要意义。1H-MRS）在大鼠脑激活模型中监测乳酸。然而，乳酸甲基峰与脂质共振峰重叠，难以准确定量。以下所述方案可实现对激活脑区代谢物及乳酸波动的监测。脑部激活通过胡须刺激诱导获得。 1在相应的激活桶状皮层进行氢质子磁共振波谱（H-MRS）检测，该区域通过血氧水平依赖性功能磁共振成像（BOLD fMRI）确定。所有步骤均被详细描述：麻醉剂、线圈和序列的选择，在磁体内部直接实现有效的胡须刺激，以及数据处理。
引言
大脑具有内在机制，能够调节其主要底物即葡萄糖），其贡献和利用取决于局部脑活动的变化。尽管葡萄糖是大脑主要的能量底物，但近年来的实验表明，由星形胶质细胞产生的乳酸可能成为神经元有效的能量底物。这提出了星形胶质细胞与神经元之间存在乳酸穿梭的假说。1称为星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭（astrocyte-neuron lactate shuttle, ANLS）2，该理论目前仍存在很大争议，但由此提出了一种假说：葡萄糖可能并非直接进入神经元，而是先进入星形胶质细胞，在其中被代谢为乳酸；随后，乳酸作为代谢产物被转移至神经元，并作为高效的能源底物被利用。如果这种穿梭机制确实存在 体内这将对理解功能性脑成像（正电子发射断层扫描 [PET]）的基本技术以及解读脑部病理中观察到的代谢改变具有重要意义。
为了研究脑代谢，特别是神经元与星形胶质细胞之间的代谢相互作用，目前有四种主要技术可供使用（不包括微/纳米传感器）：放射自显影、正电子发射断层扫描（PET）、双光子荧光共聚焦显微镜和磁共振波谱（MRS）。放射自显影是最早提出的方法之一，可提供脑切片中放射性14C-2-脱氧葡萄糖区域蓄积的图像；而PET则可获得放射性18F-脱氧葡萄糖区域摄取的活体（in vivo）图像。这两种方法的共同缺点是需使用放射性分子，且所获图像空间分辨率较低。双光子显微镜可实现荧光探针的细胞级分辨率成像，但组织对光的散射限制了成像深度。上述三种技术此前已被用于研究啮齿类动物在胡须刺激期间的神经能量代谢3,4,5,6。活体（in vivo）MRS具有无创且非放射性的双重优势，可检测任意脑区结构。此外，MRS可在神经元激活过程中进行，该技术称为功能性MRS（fMRS），近年来已在啮齿类动物中初步建立7。因此，本文提出一种通过活体（in vivo）、无创的1H-MRS技术监测脑活动期间脑代谢的实验方案。该方法以成年健康大鼠为研究对象，在7 T磁共振（MR）成像仪内通过气流刺激胡须诱发脑激活后实施，但也可适用于基因修饰动物以及各种病理状态下的研究。
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方案
所有动物实验均依照1986年11月24日欧洲共同体理事会关于动物实验的指导方针（86/609/EEC）进行。本实验方案符合法国农业与林业部的伦理准则，并已获得当地伦理委员会（Comité d'éthique pour L'expérimentation Animale Bordeaux n°50112090-A）批准。
注意：在进行磁共振测量期间，充分的麻醉水平以及生理监测（体温、呼吸频率）是必不可少的要求。
1. 动物
- 使用体重在350至450克之间的雄性Wistar大鼠。
- 保持12小时光照：12小时黑暗的光照周期，并提供食物和水 随意摄取.
2. 麻醉
- 准备麻醉所需设备（图1A,B，参见材料表）：一支含有生理盐水配制的美托咪啶的5 mL注射器（240 µg/kg/h，灌注速率为20 µL/min），一支含有阿替美唑的0.5 mL注射器（20 μL，溶于0.5 mL生理盐水中），以及眼膏。
注意：除含有美托咪啶的5 mL注射器外，所有设备均应置于通风橱下；美托咪啶注射器则放置于磁共振扫描期间靠近磁体的注射泵中。 - 将大鼠放入诱导室，通过输送4%异氟烷开始麻醉，并调节氧气流速至1.5 L/min。
- 通过评估足爪反射的消失情况来判断麻醉深度。
- 当大鼠对刺激无反应时，将其从麻醉箱中取出，放置于操作台上，使其鼻部位于异氟烷面罩中，并以1.5 L/min的流速输送2.5%异氟烷维持麻醉。
- 轻柔按摩尾部，并安置止血带（图1C）。
注意：可在温度介于38至42 °C的温水中进行按摩，以获得更好的静脉血管扩张效果。 - 将预先肝素化的外周静脉导管（22 G）插入左侧或右侧尾静脉。当导管正确插入时，可观察到静脉回血（针头远端可见一滴血液）（图1D）。
- 使用含有生理盐水和肝素的2 mL注射器，吹出导管死腔体积中存在的任何气泡。
- 涂抹眼膏，并准备好含有阿替美唑（17 µg/mL）的注射器，用于实验结束时唤醒大鼠。
3. 用于胡须刺激的实验大鼠在磁体中的放置
- 将呼吸传感器放置在磁体床的表面，然后将大鼠从实验台转移到磁体床上。使其呈俯卧位，鼻子置于异氟烷麻醉面罩中，呼吸传感器位于肋骨与磁体床之间。
注意：所有进入磁共振成像（MRI）室的设备均应为MRI兼容设备。 - 在放置大鼠的过程中逐步降低异氟烷浓度（从4%降至1.5%–2%），并在该操作结束时切换为美托咪啶麻醉。确保大鼠右侧胡须可自由活动，在大鼠MRI床前端预先切开右侧边缘，以允许胡须移动。
- 使用胶带固定大鼠体位，并监测其呼吸频率，应维持在每分钟60至80次之间。
- 使用纸胶带制作一个“帆”状结构，将所有右侧胡须包裹固定（图2）。将气流刺激系统的柔性出口管沿大鼠MRI床对齐，使管口伸出部分与“帆”垂直，距离约1.5 cm，并用纸胶带固定。
4. 胡须刺激
- 将一根柔性进气管从压缩空气源（1 bar）连接至电磁控制阀的输入端，再将出气管连接至电磁控制阀的输出端（图3确保电磁控制阀置于磁体室外。
- 将脉冲装置通过晶体管-晶体管逻辑（TTL）端口连接至电磁阀和磁铁。设置参数如下：脉冲频率为 8 Hz，脉冲持续时间为 20 s，静息时间为 10 s。
注意：这些参数在小型液晶显示屏（LCD）上显示，可进行调节 通过 三个专用的模拟电位器。用于控制实验范式的电子脉冲装置必须由高质量的电子元件构成，以避免时间参数发生漂移（确保后续数据处理的准确性）。
5. BOLD fMRI 数据采集
- 将大鼠脑部置于直立位置，并使用耳杆固定。将容积阵列线圈放置在大鼠头部上方（图 4A）并用胶带固定。当气流系统启动时，检查帆片是否正常移动（前后运动，无旋转，无摩擦）。 开启；然后，切换它 关闭.
- 将床体和线圈置于磁体中心。当床体进入磁体后，检查气流喷射系统启动时帆片是否仍能正常移动 开启；然后，切换它 关闭完全从异氟烷切换为美托咪啶（灌注速率：20 µL/min）。
- 使用定位序列检查大鼠位置是否准确（TE = 2.5 ms；TR = 100 ms；平均次数 = 1；重复次数 = 1；层厚 = 1 mm；图像尺寸 = 256 × 256；视野（FOV）= 50 × 50 mm；扫描时间 = 12 s 800 ms）。拖动 定位器 序列选项卡到 操作步骤名称 并点击 继续.
- 拖动 T2_Star_FID_EPI 序列标签页到 操作名称，将视野中心对准脑部中央，然后点击 调节平台 按 Tab 键打开已编辑的扫描指令。记录一个 B0 定位并进行扫描匀场。
注意：对于 B0 map，使用以下参数：第一回波时间 = 1.65 ms；TR = 20 ms，平均次数 = 1；翻转角 = 30°；回波间隔 = 3.805 ms；层厚 = 58 mm；图像尺寸 = 64 × 64 × 64；视场（FOV）= 58 × 58 × 58 mm；扫描时间 = 1 分 24 秒 920 毫秒。对于扫描匀场，使用以下参数：体素选择性激发 = STEAM 高斯脉冲；TE = 5 ms；混合时间 = 10 ms；采集时长 = 204.8 ms；带宽 = 10,000 Hz；采样时间 = 50 μs。 - 开始 T2星号_FID_EPI 序列参数（TE = 16.096 ms；TR = 500 ms；平均次数 = 1；重复次数 = 600；层厚 = 1 mm；连续四层；图像尺寸 = 128 × 128；视野 = 20 × 20 mm；带宽 = 333,333.3 Hz；扫描时间 = 5 分 00 秒）。
注意：由于TTL端口的存在，外部触发信号将同时启动气 puff 系统。实验范式为 [20 秒激活 + 10 秒休息] × 10，总共持续600次扫描，每次扫描500毫秒。切片位置以桶状皮层区域中部为中心。 - 获取另一段定位序列（与步骤 5.3 中描述的相同），用于与第一段序列进行比较，以检查大鼠在 T2_Star_FID_EPI 序列期间是否发生移动。
- 将床移动至初始位置，取下容积阵列线圈，并连接表面线圈。
6. BOLD 信号处理
- 打开 T2 Star_FID_EPI 文件，并在 图像显示 中读取 T2 Star_FID_EPI 图像。启动功能控制器窗口，即 FunController。
- 在该 处理 选项卡中，选择功能成像窗口，并定义刺激协议（开启/关闭 阶段的持续时间与交替模式，对应所使用的实验范式）。
- 选择协议窗口（包含 600 帧的数据集），在 开启阶段 选项卡中输入数值 40，在 关闭阶段 选项卡中输入数值 20。点击 反向分配 选项卡，并将 刺激状态 滑块向左拖动以选择数值 1。
- 在预处理窗口中，点击 平面中位滤波 进行预处理，点击 中位滤波（2D, 3D） 进行后处理。
- 点击 执行 选项卡，并拖动光标以调整叠加查找表。观察被激活的脑区（图 4B）。
7. 质子磁共振波谱采集
- 为了准确定位表面线圈，需调整大鼠头部的位置。将头部顺时针旋转约30°，使表面线圈（图 5A可放置在磁体内部左侧桶状皮层正上方，同时保持水平并位于磁体中心。
- 放置 表面线圈，使用胶带将其固定在大鼠脑部（图5B），并检查当气流系统启动时，帆片是否正确移动（前后运动，无旋转，无摩擦） 开启；然后，切换它 关闭 在主开关处。
- 检查床体进入磁体后，在气流系统作用下帆是否运动正常 开启然后，切换它 关闭.
- 使用定位序列检查大鼠位置是否正确。参数设置如下：TE = 2.5 ms；TR = 100 ms；平均次数 = 1；重复次数 = 1；层厚 = 1 mm；图像大小 = 256 × 256；视野（FOV）= 50 × 50 mm；扫描时间 = 12 s 800 ms。
- 拖动 定位器 序列标签页进入 操作名称 窗口并单击 继续 按 Tab 键以执行扫描程序。
- 当脑区定位准确时，拖动 T2_TurboRARE 序列选项卡中的 操作步骤名称 窗口并单击 继续 执行扫描程序。这些解剖图像与先前的BOLD fMRI采集数据相结合，将有助于在S1BF区域为MRS准确定位体素。
注意：T2_TurboRARE 参数为 14 层切片，每层 2 mm，视野（FOV）= 2.5 × 2.5 cm，回波时间（TE）= 100 ms，重复时间（TR）= 5,000 ms，矩阵 = 128 × 128，序列时间 = 2 分 40 秒。 - 拖动 激光 序列选项卡到 操作名称 窗口中，将体素（2 mm 高，2.5 mm 长，3 mm 深）置于 S1BF 区域中心。
- 利用大鼠脑图谱和BOLD fMRI增强效应在T2图像上定位该区域（图6）。点击 调节平台 按 Tab 键以打开已编辑的扫描指令。单击 摆动 选项卡，轻微调整接收线圈的阻抗（电子负载）以进行调谐。单击 应用 调整完成后按 Tab 键关闭指令编辑器并应用已编辑指令中的更改。
- 记录 B0 定位并进行匀场扫描，然后执行局部匀场。
注意：对于 B0 地图扫描参数：第一回波时间 = 1.65 ms；TR = 20 ms，平均次数 = 1；翻转角 = 30°；回波间隔 = 3.805 ms；层厚 = 58 mm；图像尺寸 = 64 × 64 × 64；视场（FOV）= 58 × 58 × 58 mm；扫描时间 = 1 分 24 秒 920 毫秒。扫描匀场参数：体素选择性激发 STEAM 高斯脉冲；TE = 5 ms；混合时间 = 10 ms；采集时长 = 204.8 ms；带宽 = 10,000 Hz；采样时间 = 50 μs。局部匀场参数：水信号抑制，VAPOR 采集时长 = 1,363.15 ms；采样点数 = 4,096；赫兹带宽 = 3,004.81 Hz；ppm 带宽 = 10 ppm；采样时间 = 166.40 μs；谱分辨率 = 0.37 Hz/点。LASER 参数：回波时间 = 19.26 ms；TR = 2,500 ms；平均次数 = 128 或 32；扫描时间 = 5 分 20 秒 或 1 分 20 秒；采集点数 = 4,096。 - 执行 1H-MRS
- 开始 1H-MRS采集首先在静息期进行（4 × 32次LASER扫描 + 128次LASER扫描；每次扫描2,500毫秒）。
- 获取另一段定位序列（与步骤5.3中所述相同），用于与首次记录的序列进行比较，以确保大鼠在激光采集过程中未发生移动。
- 执行 1使用气流刺激系统结合LASER序列（4 × 32次LASER扫描 + 128次LASER扫描；每次扫描2,500毫秒）进行胡须激活期间的氢质子磁共振波谱（H-MRS）检测 开启 （范式：20 秒激活，10 秒休息）。
- 再次执行定位序列，以检查大鼠是否发生移动。
注意：扫描次数以及静息期/激活期的时间可进行调整，但需通过定期执行定位序列来确保大鼠始终处于静止状态。
- 将床移回初始位置，取下表面线圈，并将大鼠移回实验台。在大鼠背部的皮肤皱褶处注射阿替美唑，以逆转麻醉并使其苏醒。
8. 质子磁共振波谱处理
- 打开 LCModel 软件，点击相应的选项卡以选择正确的数据类型（自由感应衰减文件），并选择正确的文件。完成后点击确定选项卡。
- 逐步优化定量控制参数。
- 在标题部分，手动输入标题，并通过在相应字段中手动输入数值来定义合适的 ppm 范围（例如，0.2 至 4.0 ppm）。
- 在基底文件部分，选择并下载必要的文件，以正确拟合大分子基线（可由软件供应商提供）。
- 定义并加载输入控制参数。预先准备好保存所有有用文件类型的过程（TABLE = 紧凑表格；PS = 必要的 PostScript 输出；CSV = 电子表格格式；COORD = 用于绘图的坐标）。点击RunLCModel选项卡以启动 LCModel 定量分析。
- 定义选定的代谢物以生成统计结果。
注意：LCModel 提供代谢物定量结果，并通过称为 Cramér-Rao 下限（CRLB）的值来估计误差。CRLB < 15 的值被视为理想的定量结果。CRLB > 25 表示结果不可靠。
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结果
本方案可在磁体中通过直接刺激右侧胡须诱导大脑激活，从而定量检测大脑激活过程中代谢物的波动。
本研究中，BOLD fMRI 的总体目标是验证胡须刺激的有效性，观察被激活的 S1BF 区域，并准确定位 1H-fMRS 的体素。所构建的胡须激活装置具有良好的效率。事实上，当使用自制的气流刺激系统刺激右侧胡须时，在左侧桶状皮层（即躯体感觉桶状区 S1BF）检测到显著的 BOLD 正信号（图 4B）（n = 8）。在全部 8 只大鼠中，左侧桶状皮层均检测到明显的信号增强，而右侧半球仅观察到背景信号。在未进行胡须刺激的情况下进行 BOLD fMRI 时，左侧和右侧 S1BF 均未观察到信号增强。
通过比较解剖学磁共振图像与大鼠脑图谱示意图
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讨论
体感皮层桶状区，也称为S1BF（体感皮层或桶状野），是位于大脑皮层第四层的一个区域，可通过细胞色素c氧化酶染色观察到9，其结构已广为人知，因为已有大量描述10,11一根胡须与一个桶状结构相连，该结构内约有19,000个神经元呈柱状排列12胡须-桶状皮层通路具有多个优势。首先，可通过使用与磁共振兼容的气流刺激系统在磁体内激活该通路，该系统可自行制备（确保在S1BF区域的大部分范围内——该区域大致对应于进行磁共振波谱分析时的体素大小——所有胡须被集中于一个帆状结构中，从而最大限度地刺激单根触须）。其次，右侧胡须激活可引起左侧桶状皮层的激活，而该脑区位于体感皮层，便于使用高灵敏度表面线圈。第三，与电刺激足垫相比，这种激活体感皮层的方法属于非侵入性，而电刺激足垫的缺点在于会同时激活其他脑结构，包括部分右侧半球的结构。13因此，此处使用的方案最适合进行 体内 对大脑激活状...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到了 LabEx TRAIL 项目（参考编号：ANR-10-LABX-57）以及法国-瑞士 ANR-FNS 项目（参考编号：ANR-15-CE37-0012）的资助。作者感谢 Aurélien Trotier 提供的技术支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带针头的0.5 mL注射器 | Becton, Dickinson and Company，美国 | 2020-10 | 0.33 mm（29 G）× 12.7 mm |
| 1氢质子波谱表面线圈 | 布鲁克，德国埃特林根 | T116344 | |
| 7T Bruker Biospec 系统 | 布鲁克，德国埃特林根 | 70/20 USR | |
| 基于 Arduino Uno 的脉冲装置 | 定制 | ||
| 阿替美唑 | Vétoquinol, S.A.，法国 | V8335602 | Antisedan，4.28 mg |
| 呼吸面罩 | 定制 | ||
| 眼膏 | TVM 实验室，法国 | 40365 | Ocry 胶 10 g |
| 诱导室 | 定制 | 30x17x15 厘米 | |
| 进样柔性管 | 加登纳，德国 | 1348-20 | 4.6 毫米直径，3 米长 |
| 异氟烷泵，100系列麻醉蒸发器，经典T3 | Surgivet，哈佛仪器 | WWV90TT | 来自美国俄亥俄州43017 |
| 异氟烷，吸入用液体 | Vertflurane，Virbac，法国 | QN01AB06 | 1000 mg/mL |
| KD Scientific 注射泵 | KD 泵科技，霍利斯顿，美国 | Legato 110 | |
| LCModel 软件 | LCModel 公司，安大略省，加拿大 | 6.2 | |
| 盐酸美托咪定 | Vétoquinol, S.A.，法国 | QN05CM91 | Domitor，1 mg/mL |
| 微孔胶带卷 | 3M Micropore，明尼苏达州，美国 | MI912 | |
| 微孔胶带卷 | 3M Micropore，明尼苏达州，美国 | MI925 | |
| 生理参数监测系统 | SA Instruments, Inc, Stony Brook, NY, 美国 | Model 1025 | |
| NaCl | 德国费森尤斯卡比 | B05XA03 | 0.9 % 250 mL |
| 出口软管 | 德国加登纳 | 1348-20 | 4.6 毫米直径，4 米长 |
| Paravision 软件 | 布鲁克，德国埃特林根 | 6.0.1 | |
| 外周静脉导管 | 日本东京涩谷，泰尔茂公司 | SP500930S | 22 G × 1"，0.85×25 mm，35 mL/min |
| 大鼠头部线圈 | 布鲁克，德国艾特林根 | ||
| 注射用肝素钠溶液 | Choai，赛诺菲，法国巴黎 | B01AB01 | 5000 IU/mL |
| 螺线管控制阀，直动式二位二通柱塞阀 | 德国伯克特 | 3099939 | 模型类型 6013 |
| Terumo 2 ml 注射器 | 日本东京涩谷，泰尔茂公司 | SY243 | 21 g × 5/8" 针 |
| Terumo 5 mL 注射器 | 日本东京涩谷，泰尔茂公司 | 05SE1 | |
| Wistar RJ-Han 大鼠 | 法国 Janvier Laboratories |
参考文献
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