啮齿类动物深部脑刺激联合同步功能性磁共振成像

大家好，我是 John Ya。我是 Dan Alba。今天我们将演示在大鼠中进行功能性磁共振成像与同步深部脑刺激的实验。

我们可以利用该技术在多个靶点进行深部脑刺激，以绘制全脑范围内的功能反应图谱。该流程包括立体定向电极植入、功能性磁共振成像（fMRI）数据采集以及功能反应的分析。第一步是电极植入。

我们将单侧植入电极至丘脑底核。首先对动物进行全身麻醉，并在手术过程中持续监测其生理参数，包括血氧饱和度和体温。开始准备手术区域，去除毛发，并将动物固定于立体定位仪上。

在手术过程中使用眼膏润滑动物的眼睛。对术区进行消毒，并在已灭菌的区域铺放手术巾。完成手术部位的准备工作。

去除覆盖在颅骨上的皮肤和筋膜，确保冠状缝（bregma）和人字缝（lambda）暴露。使用手术刀粗化颅骨表面，以增强后续步骤中骨水泥的附着。使用无菌棉配合电凝止血，处理骨面及切割组织处的出血。

使用连接到立体定位臂的针头触碰bgma的精确位置，以此作为开颅位置的参考，并用针头在颅骨上标记丘脑底核的位置。该位置位于枕前3.6毫米，中线外侧2.5毫米处。使用小型钻头在颅骨上钻出一个小孔，并清理和探查孔的边缘。

使用细针头充分扰动硬脑膜表面，并清除任何额外的出血或脑脊液渗漏。现在我们将在颅骨上植入一个与 MRI 兼容的螺钉以用于固定。在颅骨上未来电极位置的对侧及后方钻一个孔。

将螺钉植入足够深度以确保稳固，但不得压迫硬脑膜或皮层。我们采用一种自制的磁共振成像兼容双通道钨微电极进行刺激。检查电极，确保其笔直且导线未分开。将电极垂直固定于立体定位仪臂上，并使电极尖端接触bgma。

使用立体定位仪测量并移动电极至目标脑区位置，接触大脑皮层表面。通过立体定位仪缓慢下放电极。确保电极无弯曲。

在此过程中，先放置一层水泥，确保颅骨表面干燥。待第一层水泥干燥后，将电极向后弯曲，再涂抹额外的水泥以增强稳定性。在取出动物之前，需让水泥完全干燥。

此时可对动物进行复苏，或立即准备进行功能磁共振成像扫描。第二步是准备动物以进行功能磁共振成像（FMRI）及实施FMRI数据采集。此步骤可在手术后立即进行，也可在数天后进行。

应使用头架来完全固定动物头部相对于线圈的位置。动物应进行气管插管并实施通气。可使用多种麻醉剂。

我们使用 dme、toine 和低剂量异氟烷（isof）联合用药。氟化物引起的麻痹应通过在通气管路与气管插管连接处附近采用 pantonium acquire cap 几何构型来实施。调整呼吸机参数以稳定终末 TAL CO2 水平。

在正常范围内，体温通常接近3%，应使用固定在尾巴基部的直肠探头进行监测。应调节循环热水浴装置，使体温稳定在正常范围内。还可通过后肢足垫区域进行脉搏血氧测定，扫描区域涂抹牙膏以提高图像质量。

将表面线圈直接放置在需要扫描的脑区上方，牢固地将线圈固定在头架和线圈支架上。将刺激系统连接至电极连接器，并妥善固定导线。

在磁体的低温环境中，为动物覆盖保温材料以增强隔热效果。现在可以将动物插入磁体中心。使用三平面快速定位图像，对动物在扫描仪内的整体位置进行精确定位。

参照大脑皮层表面进行匀场，以改善磁场的均匀性。然后使用FMAP在将用于功能扫描的脑区进行局部匀场。在正中矢状面采集一幅单层T2加权图像。

创建单次激发梯度回波EPI扫描，矩阵大小为96×96，视野为2.56×2.56厘米，重复时间为1000毫秒，回波时间为14毫秒，层厚为1毫米，先进行4次伪扫描，随后重复70次。

使用这些参数时，每次扫描应持续1秒。为实现总共70秒的扫描时间，请将此EPI扫描与前一次T2矢状位图像的前连合对齐，以确保受试者之间的几何一致性。设置刺激频率、脉宽和刺激范式，并将刺激触发信号与扫描序列的射频输出同步。此处我们采用130赫兹的频率、90微秒的脉宽，以及如下刺激范式：60秒静息，随后30秒刺激，最后120秒静息。

然后设置刺激电流类型，包括所需的电流强度和双相电流输出运行。进行EPI扫描，确保在采集后刺激能够正常触发，并使用下一部分所述的数据分析工具检查以确保产生稳定的反应。如果未出现预期反应，请检查刺激器的连接。

完成所有扫描后，应进行解剖学扫描以测量电极的大致位置，并确认电极位于预期靶区内。随后，可对大鼠进行复苏并保存，以用于后续实验。最后，在所有必要的实验完成后，可通过福尔马林灌注大脑的方式对动物实施安乐死。

在移除电极通路后，可进行高分辨率T2加权扫描，以识别电极通路及其与邻近结构的关系。在此案例中，电极通路终止于内囊腹侧的丘脑底核，证实了植入的准确性。接下来，我们将处理和分析功能扫描的结果。

为此，我们将使用一个在 MATLAB 中运行的自定义编写的程序，尽管其他用于功能磁共振成像分析的软件包也可以在 MATLAB 中以类似方式使用。使用 SPM 代码对所有刺激试验应用刚体校正。然后创建图像的平均片段，保留扫描的时间序列，并在应用截断阈值后手动进行颅骨剥离。

现在我们将生成感兴趣脑区的相关系数图。可使用最小簇大小或3×3低通平滑进行降噪处理。应输入刺激范式，并可设置较短的范式延迟以校正血流动力学延迟。

对于每个体素，可依据刺激范式计算其随时间变化的信号强度相关系数。该系数可在每个切片上进行映射，以识别出脑功能解剖区域中球形反应与实验方案高度相关的区域。感兴趣区域可手动定义，或采用多边形进行近似。

可使用刺激前信号作为基线，计算该感兴趣区域内的信号变化百分比。随后可将这些数值导出用于统计分析。本实验中，我们在丘脑底核进行了深部脑刺激，相关系数图上的响应出现在远离该核团的脑区。

在此处，我们观察到在最靠后切片的刺激位置前方存在呈阳性的、BOLD信号增强的皮层区域。当计算样本皮层感兴趣区域的BOLD信号强度随时间变化时，刺激电极产生的伪影可见。结果显示在屏幕上，其中刺激范式以黄色条形表示。

这可用于量化bold信号反应，为进一步分析，我们刚刚在啮齿类动物模型中演示了同步进行深部脑刺激与功能磁共振成像的技术。感谢观看，祝您的实验顺利。I.