Name: 深部脑刺激与同步功能磁共振成像在鼠害 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-15T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 9 s
Description: 了解深部脑刺激与同步功能磁共振成像技术，用于绘制啮齿动物大脑对电刺激的功能响应图谱。该方法结合立体定向电极植入与fMRI采集，为神经科学研究提供实时脑功能分析工具。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

我们感谢 Shaili Jha 和 Heather Decot 在拍摄过程中提供的协助。

伦理声明：本实验程序遵循美国国立卫生研究院动物研究指南（《实验动物护理和使用指南》），并已获得北卡罗来纳大学机构动物护理和使用委员会的批准。
1. 电极植入
第一步是电极植入。在此步骤中，将电极单侧植入丘脑底核（STN），丘脑底核是一个在帕金森病治疗中具有转化意义的小核团，采用以下方法进行植入：
<ol>
	<li>使用高压灭菌器对所有手术器械进行灭菌；若无法进行高压灭菌，则使用抗菌溶液（例如&#160;以确保电极无菌。 注意：这是一项短期存活手术，因此无菌操作技术至关重要。术后动物可在短暂恢复期（48小时）后进行成像，也可在数周内进行。</li>
	<li>使用经气管插管和小动物呼吸机给予的2.5%异氟烷麻醉大鼠（成年Sprague-Dawley大鼠，250–400 g）。将大鼠固定于立体定位手术架上，并采用无菌技术准备手术区域。</li>
	<li>准备并确保电极无菌。本实验使用自制的双通道钨丝微电极，但许多与磁共振成像兼容的电极类型均可适用。所使用的电极类型可能影响手术造成的组织机械损伤范围、刺激区域以及植入的准确性，从而影响整体实验结果。若电极无法进行高压灭菌，请尽可能使用聚维酮碘消毒剂对电极进行消毒。</li>
	<li>使用剪刀切除植入部位直径约1.5 cm范围的头皮，暴露颅骨上的前囟（bregma）和后囟（lambda）。清除覆盖颅骨的肌肉和筋膜，并使用电凝止血。</li>
	<li>用手术刀在颅骨表面以多个方向刮擦，以增强牙科水泥的黏附性（步骤1.8）。将前囟和后囟调至水平方向。</li>
	<li>在前囟后方3.6 mm、中线外侧2.5 mm处定位丘脑底核（STN），使用尖头电动钻头钻出直径约1.5 mm的骨孔。 注意： STN 在立体定向坐标中的精确定位可能因大鼠品系、体重和性别而异。应使用相同性别的成年大鼠，以尽量减少定位差异。如有可能，应通过术前解剖影像扫描或术中电生理记录，在个体受试者基础上确定 STN 的位置。此外，电极终止位置应通过组织学方法进行验证，以确保靶点的准确性。
	<ol>
		<li>小心切开硬脑膜，并使用小型钝头镊子将硬脑膜向孔洞两侧移开。用浸有生理盐水的无菌棉球止血。为其中一个电极创建孔洞&#160;或更多与磁共振兼容的螺钉），并轻柔地将其插入颅骨，直至固定。螺钉可放置在任何不会干扰深部脑刺激电极外部连接器定位的位置。例如.&#160;不在电极同侧的STN正后方）。我们推荐将位置定于颅骨的侧缘，理想位置为λ缝正后方。在此处，颅骨相对较厚，可降低螺钉损伤皮层的可能性。 注意： 本方案使用长度为 4-5 mm 的黄铜螺丝，但塑料螺丝也同样适用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将电极安装在立体定位仪臂上，确保其保持平直且垂直。将电极轻触前囟点，随后将电极精确移动至前囟后方3.6 mm、中线外侧2.5 mm处，并用电极接触皮层表面。从皮层表面开始，将电极向腹侧插入7.8 mm。上述坐标系参照神经解剖学图谱确定1.</li>
	<li>在颅骨上（包括颅骨螺丝和电极插入点）覆盖一层牙科水泥。在从立体定位仪框架上取下电极之前，需等待水泥完全固化。将电极向后弯曲，并使用额外的水泥覆盖电极通路的其余部分及连接器，以增强耐久性。</li>
</ol>
2. fMRI 准备
第二步是功能磁共振成像（fMRI）的准备工作，包括线圈的定位以及生理监测设备的设置。
<ol>
	<li>固定动物头部，以防止扫描过程中发生移动。注意：此处使用定制的塑料耳杆系统进行头部固定。将耳杆插入耳道，并固定到头架上，使头部在垂直方向上可平稳旋转，且无水平方向旋转。通过将上排牙齿固定到装置上来稳定头部位置。</li>
	<li>完全麻醉大鼠，并监测呼气末 CO2 以确保所有扫描过程中的稳定性。为维持麻醉、通气并控制扫描期间的呼气末 CO2 水平，此处采用与异氟烷蒸发器联用的磁共振兼容小型动物呼吸机系统，尽管其他多种麻醉和镇静药物也可采用类似方式使用。将呼吸机设置为每分钟45次呼吸，潮气量适中，起始通气量约为500 ml/min。将异氟烷浓度设为2%，并将大鼠转移至扫描室。将呼吸机输出端连接至大鼠气管插管，并用力压紧以确保连接牢固。应使用一根尽可能靠近气管插管接头处连接的导管来获取二氧化碳波形图。调节通气量，使呼气末 CO2 维持在2.6%至3.3%之间。</li>
	<li>使用磁共振兼容的小动物固定装置，将大鼠置入扫描仪中，并配备循环热水浴以控制体温。将热水垫用胶带固定在固定装置上，并覆盖清洁的吸水纸。将大鼠放置于热水垫上。</li>
	<li>温度和二氧化碳水平的监测对BOLD fMRI至关重要，而动脉血氧饱和度和心率也是有用的生理参数。插入磁共振兼容的直肠温度探头，并用胶带固定于尾根部，然后调节水浴温度以维持正常体温37 °C。使用小型动物脉搏血氧仪系统监测动脉血氧饱和度和心率，分别维持在95–98%和250–350次/分钟，具体数值可能因所用麻醉剂类型而异。血氧饱和度和心率均受麻醉深度、通气量和通气频率的影响。需仔细平衡通气量和通气频率，以维持足够的呼气末 CO2 水平和充分的血氧饱和度。</li>
	<li>BOLD fMRI 数据采集需要使用表面线圈。将表面线圈尽可能贴近头部表面放置。固定后，在颅骨水泥帽的头部表面涂抹牙膏，以减少脑表面附近的磁化率伪影。注意：我们使用自制的收发一体表面线圈，内径约为1.6 cm，但也可使用更大的表面线圈以优化深部皮层下区域的BOLD信号响应。</li>
	<li>将刺激电极连接至可编程电刺激系统。注意：我们使用自制的可编程TTL触发系统，连接双极刺激器，以输送与MR扫描射频激发同步的电脉冲。</li>
	<li>在fMRI数据采集期间，为实现镇静和肌肉松弛，使用右美托咪定（0.1 mg/kg/hr，腹腔注射）和泮库溴铵（1 mg/kg/hr，腹腔注射）的混合制剂，并联合低剂量异氟烷（0.5%）以防止癫痫样活动2。若需在磁场环境中放置输液泵，则必须使用磁共振兼容的注射泵；或者，也可将不兼容的泵置于磁场环境之外，前提是使用延长的导管管路。</li>
</ol>
3. fMRI 数据采集
第三步是进行fMRI数据采集，包括定位、匀场、解剖扫描和功能扫描。此处使用一台9.4特斯拉的系统和自制的表面线圈，但该技术也可适配于其他高场强系统和商业化的MRI线圈。
<ol>
	<li>将大鼠放入扫描仪中，并置于磁体中心。使用三平面定位像精确定位大鼠，使其脑部目标区域位于磁体中心，然后采用FASTMAP匀场技术对目标区域的磁场进行均匀化处理。</li>
	<li>使用矢状位T2加权RARE序列（视野，2.56 x 2.56 cm）2；矩阵大小，256 × 256；层厚，1.5 mm；TR/TE，1500/11 ms；RARE 因子，8；翻转角，180°) 以确定前连合的位置，并将后续图像与此位置对齐。对八层单次激发GE-EPI扫描（视野，2.56 × 2.56 cm）进行对齐2；矩阵大小，96 × 96，重建为128 × 128；层厚，1 mm；TR/TE，1000/14 ms）至此采用冠状位定向。</li>
	<li>功能扫描时，采用70次连续的EPI扫描，时间分辨率为1秒，与刺激输出同步，设置为20秒静息、10秒刺激，随后40秒静息。每次扫描之间至少间隔90秒，以确保神经血管恢复。在每组刺激参数下采集多次重复扫描，通过平均化提高信噪比。扫描开始前立即执行一系列伪扫描（通常为4-8次），以减少噪声。在图像采集时确认BOLD反应，以确保实验成功，可采用第4节所述方法进行验证，但此步骤可省略平均、共配准和去颅骨处理。</li>
	<li>功能扫描完成后，使用T2加权RARE自旋回波序列（视野，2.56 × 2.56 cm）2；矩阵大小，256 × 256；层厚，1 mm；TR/TE，2500/33 ms；平均次数，8）以测量电极的解剖位置 体内获取多个冠状面和矢状面切片，沿前/后、内/外及背/腹轴测量电极伪影尖端位置，以确认电极植入位点。可采用高分辨率磁共振显微成像（视野，1.8 × 1.28 cm；矩阵大小，360 × 256；层厚，0.5 mm；TR/TE，2500/12.6 ms；RARE因子，8；平均次数，280）在取出电极后，观察电极通路相对于邻近神经解剖结构的精确位置，从而验证电极植入的准确性3.</li>
</ol>
4. fMRI 数据处理与分析
第四步是fMRI数据的处理与分析，包括生成反应图谱和计算BOLD信号变化百分比。在计算环境中运行的自定义程序（例如&#160;MATLAB）或商业fMRI软件工具（例如.&#160;SPM、FSL 或 AFNI）可用于分析。
<ol>
	<li>首先在受试者内部按频率进行图像共配准和数据平均，然后进行受试者间的共配准和平均。注意：我们使用SPM代码实现此步骤。</li>
	<li>通过手动定义信号阈值的感兴趣区域（ROI），进行颅骨剥离以去除非脑组织。也可采用自动颅骨剥离算法。</li>
	<li>通过计算每个体素的BOLD响应随时间变化与刺激范式之间关系的相关系数，生成响应图谱。为补偿血流动力学响应的延迟，可能需要将范式延迟数秒。经Bonferroni校正后，设定显著性水平为 P &#60; 0.05。也可采用其他统计方法。为提高分析敏感性，可使用随机场理论或基于高斯随机场的簇水平校正来替代Bonferroni校正，以校正多重比较4。注意：血流动力学延迟可能因靶向脑区、所用药物制剂及生理参数的不同而有所变化。控制这些参数对于防止受试者内部及受试者之间的变异性至关重要。</li>
	<li>通过定义感兴趣区域（ROI）提取时间过程数据，以量化BOLD响应。对同一解剖结构内所有体素的信号百分比变化取平均值。也可使用一般线性模型进行体素水平的分析5。</li>
</ol>

<ol><li>Paxinos, G., Watson, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPaxinos%2C+G+%22The+rat+brain+in+stereotaxic+coordinates%2C+5th+edition%22">The rat brain in stereotaxic coordinates, 5th edition</a>. , Academic Press. (2004).</li>
<li>Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+the+alpha%282%29-adrenergic+receptor+agonist+dexmedetomidine+on+neural%2C+vascular+and+BOLD+fMRI+responses+in+the+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Effects of the alpha(2)-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex.</a> Eur. J. Neurosci. 37 (2), 80-95 (2013).</li>
<li>Lai, H. Y., Younce, J. R., Albaugh, D. L., Kao, Y. C., Shih, Y. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+MRI+reveals+frequency-dependent+responses+during+deep+brain+stimulation+at+the+subthalamic+nucleus+or+internal+globus+pallidus%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Functional MRI reveals frequency-dependent responses during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus or internal globus pallidus.</a> NeuroImage. In press, (2013).</li>
<li>Frackowiak, R. S. J., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFrackowiak%2C+RSJ+%22Human+Brain+Function%22">Human Brain Function</a>. , (2004).</li>
<li>Poline, J. B., Brett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+general+linear+model+and+fMRI%3A+does+love+last+forever%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">The general linear model and fMRI: does love last forever.</a> NeuroImage. 62, 871-880 (2012).</li>
<li>Min, H. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+brain+stimulation+induces+BOLD+activation+in+motor+and+non-motor+networks%3A+an+fMRI+comparison+study+of+STN+and+EN%2FGPi+DBS+in+large+animals%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Deep brain stimulation induces BOLD activation in motor and non-motor networks: an fMRI comparison study of STN and EN/GPi DBS in large animals.</a> NeuroImage. 63, 1408-1420 (2012).</li>
<li>Lozano, A. M., Lipsman, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+and+Regulating+Dysfunctional+Circuits+Using+Deep+Brain+Stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Probing and Regulating Dysfunctional Circuits Using Deep Brain Stimulation.</a> Neuron. 77, 406-424 (2013).</li>
<li>DeLong, M., Wichmann, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+brain+stimulation+for+movement+and+other+neurologic+disorders%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+N.Y.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">Deep brain stimulation for movement and other neurologic disorders.</a> Ann. N.Y. Acad. Sci. 1265, 1-8 (2012).</li>
<li>Goodman, W. K., Alterman, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+brain+stimulation+for+intractable+psychiatric+disorders%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+Med%22%5BJournal%5D)">Deep brain stimulation for intractable psychiatric disorders.</a> Ann. Rev. Med. 63, 511-524 (2012).</li>
<li>Pizzolato, G., Mandat, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+brain+stimulation+for+movement+disorders%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Integr.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Deep brain stimulation for movement disorders.</a> Front. Integr. Neurosci. 6, 2 (2012).</li>
<li>Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+we+can+do+and+what+we+cannot+do+with+fMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">What we can do and what we cannot do with fMRI.</a> Nature. 453, 869-878 (2008).</li>
<li>Li, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Therapeutic+deep+brain+stimulation+in+Parkinsonian+rats+directly+influences+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Therapeutic deep brain stimulation in Parkinsonian rats directly influences motor cortex.</a> Neuron. 76, 1030-1041 (2012).</li>
<li>Pan, W., Thompson, G., Magnuson, M., Majeed, W., Jaeger, D., Keilholz, S. Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent. (42), (2010).</li>
<li>Huttunen, J. K., Grohn, O., Penttonen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coupling+between+simultaneously+recorded+BOLD+response+and+neuronal+activity+in+the+rat+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Coupling between simultaneously recorded BOLD response and neuronal activity in the rat somatosensory cortex.</a> NeuroImage. 39, 775-785 (2008).</li>
<li>Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurophysiological+investigation+of+the+basis+of+the+fMRI+signal%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal.</a> Nature. 412, 150-157 (2001).</li>
<li>Shih, Y. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+scenario+for+negative+functional+magnetic+resonance+imaging+signals%3A+endogenous+neurotransmission%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">A new scenario for negative functional magnetic resonance imaging signals: endogenous neurotransmission.</a> J. Neurosci. 29, 3036-3044 (2009).</li>
<li>Shih, Y. Y., Wey, H. Y., De La Garza, B. H., Duong, T. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Striatal+and+cortical+BOLD%2C+blood+flow%2C+blood+volume%2C+oxygen+consumption%2C+and+glucose+consumption+changes+in+noxious+forepaw+electrical+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Cereb.+Blood+Flow+Metab%22%5BJournal%5D)">Striatal and cortical BOLD, blood flow, blood volume, oxygen consumption, and glucose consumption changes in noxious forepaw electrical stimulation.</a> J. Cereb. Blood Flow Metab. 31, 832-841 (2011).</li>
<li>Shmuel, A., Augath, M., Oeltermann, A., Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Negative+functional+MRI+response+correlates+with+decreases+in+neuronal+activity+in+monkey+visual+area+V1%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Negative functional MRI response correlates with decreases in neuronal activity in monkey visual area V1.</a> Nat. Neurosci. 9, 569-577 (2006).</li>
<li>Schridde, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Negative+BOLD+with+large+increases+in+neuronal+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb.+Cortex%22%5BJournal%5D)">Negative BOLD with large increases in neuronal activity.</a> Cereb. Cortex. 18, 1814-1827 (2008).</li>
<li>Shmuel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sustained+negative+BOLD%2C+blood+flow+and+oxygen+consumption+response+and+its+coupling+to+the+positive+response+in+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Sustained negative BOLD, blood flow and oxygen consumption response and its coupling to the positive response in the human brain.</a> Neuron. 36, 1195-1210 (2002).</li>
<li>Harel, N., Lee, S. -P., Nagaoka, T., Kim, D. -S., Kim, S. -G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Origin+of+negative+blood+oxygenation+level%E2%80%93dependent+fMRI+signals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Cereb.+Blood+Flow+Metab%22%5BJournal%5D)">Origin of negative blood oxygenation level–dependent fMRI signals.</a> J. Cereb. Blood Flow Metab. 22, 908-917 (2002).</li>
<li>Lee, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Global+and+local+fMRI+signals+driven+by+neurons+defined+optogenetically+by+type+and+wiring%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring.</a> Nature. 465, 788-792 (2010).</li>
<li>Carmichael, D. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+MRI+with+active%2C+fully+implanted%2C+deep+brain+stimulation+systems%3A+safety+and+experimental+confounds%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Functional MRI with active, fully implanted, deep brain stimulation systems: safety and experimental confounds.</a> NeuroImage. 37, 508-517 (2007).</li>
<li>Tagliati, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Safety+of+MRI+in+patients+with+implanted+deep+brain+stimulation+devices%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Safety of MRI in patients with implanted deep brain stimulation devices.</a> NeuroImage. 47 Suppl 2, 53-57 (2009).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

同时进行的脑深部电刺激（DBS）与功能磁共振成像（fMRI）代表了一种有前景的实验工具包，可用于在活体（in vivo）条件下识别和表征神经环路刺激引发的全局性下游反应。&#160;与电生理记录等其他现有技术相比，该方法的主要优势在于fMRI具有相对无偏倚的特性，能够对广泛且多样化的脑组织区域进行检测，以评估其对任意靶点DBS的响应情况。尽管本文所述方案专用于大鼠的DBS-fMRI研究，但针对DBS反应的神经影像学研究也已在其他模式生物中成功开展，包括猪6。
该技术最明显的一个应用可能是用于模拟临床上治疗某些神经及精神疾病时所采用的深部脑刺激（DBS），例如帕金森病7-9。在帕金森病患者中，对丘脑底核（STN）或内侧苍白球（GPi）施加高频刺激，可有效缓解多种运动症状10。在这两个靶点中的任一处进行高频DBS，均可引起经典的运动区和边缘区的显著激活6。当结合行为学分析来表征这些空间动态的fMRI反应时，可能有助于识别具有治疗作用的DBS神经环路。此类研究得出的...

确定神经环路活动的全局下游效应，是系统神经科学多个领域面临的一项重大挑战和目标。目前可用于满足这一需求的工具十分有限，因此迫切需要提高相应实验装置的可及性。&#160;评估神经环路激活全局效应的一种方法，依赖于深部脑刺激（DBS）与功能磁共振成像（fMRI）的同步应用。DBS-fMRI 能够在大空间尺度上检测环路激活的下游反应，并可几乎应用于任意刺激靶点。该技术组合非常适用于转化型临床前研究，包括对治疗性高频刺激反应的表征。
除了需要具备合适的MRI扫描仪外，成功的DBS-fMRI实验还需考虑多个变量，包括电极类型、镇静方法以及生理参数的维持。&#160;例如，电极的选择应基于与刺激效果相关的因素（如.&#160;导线尺寸与导电性、单极与双极模式），以及磁共振兼容性和电极伪影的大小。电极伪影的大小取决于电极材料和尺寸，也受所用扫描序列的影响；因此应在实验前进行充分测试，以确定每项研究适用的电极类型。通常建议本方案采用钨丝微电极。应选择适当的麻痹剂和镇静剂，以有效固定动物体位，并减少某些镇静剂对血氧水平依赖（BOLD）信号的抑制作用。&#160;最后，维持动物处于最佳生理状态至关重要，包括体温和血氧饱和度的稳定。
我们为DBS-fMRI开发的实验方案克服了上述诸多潜在障碍，在实际操作中能够提供可靠且一致的结果。&#160;此外，这些实验步骤也可轻松应用于fMRI与其它刺激方法的结合，包括光遗传学刺激。&#160;

<table><tbody><tr><td>异氟烷（Forane）</td><td>Baxter</td><td>1001936060</td><td></td></tr><tr><td>右美托咪定（Dexdomitor）</td><td>Pfizer</td><td>145108-58-3</td><td></td></tr><tr><td>泮库溴铵</td><td>Selleckchem</td><td>S2497</td><td></td></tr><tr><td>9.4 T 小动物磁共振成像仪</td><td>Bruker</td><td></td><td>BioSpec 系统，配备 BGA-9S 梯度线圈</td></tr><tr><td>立体定位仪</td><td>Kopf</td><td></td><td>型号 962</td></tr><tr><td>小动物呼吸机</td><td>CWE, Inc.</td><td>12-02100</td><td>型号 SAR-830</td></tr><tr><td>牙科水泥</td><td>A-M Systems</td><td>525000</td><td>Teets 冷固化型</td></tr><tr><td>MouseOx Plus 监测系统</td><td>STARR Life Science Corp.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>二氧化碳浓度监测仪</td><td>Surgivet, Smith Medical</td><td></td><td>V9004 系列</td></tr><tr><td>刺激隔离器</td><td>World Precision Instruments</td><td></td><td>型号 A365</td></tr><tr><td>磁共振兼容黄铜螺钉</td><td>McMaster Carr</td><td>94070A031</td><td>0-80 螺纹规格，1/4 英寸长，可按需截断</td></tr><tr><td>钨丝</td><td>California Fine Wire Company</td><td>100211</td><td>用于制作磁共振兼容刺激微电极</td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Harvard Apparatus</td><td></td><td>型号 PHD 2000（非磁共振兼容）</td></tr></tbody></table>

啮齿类动物深部脑刺激联合同步功能性磁共振成像

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

为了可视化深部脑刺激（DBS）在不同靶点引起的全脑及下游神经元反应，我们建立了一种利用血氧水平依赖性（BOLD）功能磁共振成像（fMRI）对啮齿类动物进行同步DBS成像的实验方案。DBS-fMRI面临多项技术挑战，包括电极植入的准确性、电极引起的磁共振伪影、麻醉剂和麻痹剂的选择（需在消除动物运动的同时最小化对神经元活动的影响），以及生理参数的维持（其偏离可能干扰BOLD信号）。&#160;本实验室已开发出一系列能够克服上述大多数问题的操作流程。在电刺激过程中，采用自制的钨合金双极微电极，通过立体定位法将其植入麻醉状态下的动物刺激靶点。在成像准备阶段，将啮齿类动物固定于塑料头件上，并转移至磁体孔道内。扫描期间，持续输注右美托咪定与泮库溴铵的混合制剂，并辅以最低剂量的异氟烷，该方案可最大程度减少挥发性麻醉剂对BOLD信号的天花板效应。在本示例实验中，对丘脑底核（STN）的刺激引发的BOLD反应主要出现在同侧皮层区域，集中于运动皮层。同步进行的DBS与fMRI技术能够明确揭示神经环路的调控效应，该效应依赖于刺激部位和刺激参数，并允许无区域偏倚地观察神经元活动的调制情况。该技术可用于探索在几乎任意脑区调控神经环路所产生的下游效应，对实验性与临床DBS研究均具有重要意义。

根据上述方案，在一只右侧丘脑底核植入刺激电极的大鼠中获得了典型的脑功能数据。图1展示了进行深部脑刺激功能性磁共振成像（DBS fMRI）数据采集的关键实验设置。刺激参数遵循上述方案，刺激幅度为0.3 mA，频率为130 Hz，脉宽为0.09 msec。采用该方案以丘脑底核为刺激靶点时，同侧运动皮层的激活信号可被稳定地观察到。在方波刺激模式下，血氧水平依赖（BOLD）信号相对于基线（无刺激状态）应随刺激周期呈现相应的时间进程变化。本实验中，在预期的脑区观察到明显的正向BOLD反应（图2），其ON/OFF模式与刺激范式高度一致，同时考虑了短暂的血流动力学延迟（图3）。通过功能图谱（图2）叠加神经解剖图谱1，可精确定义感兴趣区域，用于比较不同脑区的BOLD效应。对于丘脑底核DBS，运动皮层的BOLD反应如图3所示，但感兴趣区域也可设置于任意脑区。这些反应可在扫描间及受试者间进行平均，以识别对刺激产生稳定响应的脑区。针对其他神经解剖结构的刺激可能产生与本实...

本方案描述了一种在啮齿类动物中同时进行功能性磁共振成像与深部脑刺激的标准方法。结合使用这两种实验工具，可探索几乎任意脑区靶点在接受电刺激后所引发的全脑范围内的下游活动响应。

为了可视化在不同靶点进行深部脑刺激（DBS）所引发的全脑及下游神经元反应，我们开发了一种实验方案，用于……

大家好，我是 John Ya。我是 Dan Alba。今天我们将演示在大鼠中进行同步深部脑刺激的功能性磁共振成像。我们可以利用该技术在多种靶点进行深部脑刺激时，绘制大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。首先将动物完全麻醉，并在手术过程中持续监测生理参数，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。去除颅骨表面的皮肤和筋膜，确保前囟（bregma）和后囟（lambda）暴露。使用手术刀粗糙化颅骨表面，以增强后续步骤中粘合剂的附着。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，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。该位置位于前囟后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。在颅骨上钻孔，位置位于未来电极植入位置的对侧且偏后方。将螺钉置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。检查电极是否笔直，并确认导线未发生分离。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，确保电极无任何弯曲。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。第二步是将动物准备用于功能磁共振成像（FMRI）及进行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。应使用头部固定装置，以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。氟化物麻痹应通过在通气管路与气管插管连接处附近采用泮库溴铵（pantonium）获取帽状几何结构来实施。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，为动物盖上覆盖物以增强保温效果。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。在正中矢状面采集单个T2加权切片。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。使用这些参数的每次扫描应持续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，确保在数据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情况。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。电极通道移除后，可进行高分辨率T2加权扫描，以识别电极通道及其与邻近结构的关系。在此病例中，电极通道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 中运行的自定义程序，尽管其他用于功能磁共振成像分析的软件包也可在 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信号强度随时间的变化时，刺激电极造成的伪影可见。结果显示在屏幕上，其中刺激范式以黄色条形表示。这可用于量化显著反应，并为进一步分析提供依据。我们刚刚在实验啮齿动物模型中展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.

deep-brain-stimulation-with-simultaneous-fmri-in-rodents

Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

深部脑刺激与同步功能磁共振成像在鼠害

我们开发了一种在啮齿类动物大脑中同时进行功能性磁共振成像和电生理记录的方法，为研究神经活动与血氧水平依赖性（BOLD）磁共振成像信号之间的关系提供了平台。...

同步进行啮齿类动物脑部的fMRI与电生理记录

来源：Casquero-Veiga, M. et al. 利用活体正电子发射断层扫描揭示大鼠深部脑刺激诱导的活动模式。J. Vis. Exp.

利用体内FDG-PET评估大鼠急性深部脑刺激诱导的代谢神经调节作用

来源：Batra, V., 等 深部脑刺激对静脉内甲基苯丙胺自我给药影响的通用评估方法。J. Vis. Exp.

深部脑刺激作为大鼠模型中药物成瘾的治疗方法

来源：Selvakumar, T., et al., 丘脑前核深部脑刺激后大鼠海马基因表达变化的分析。 J. Vis. Exp.

深部脑刺激对大鼠模型海马神经元活动的影响

深部脑刺激（DBS）手术治疗作用背后的机制仍需进一步研究。本文所述方法介绍了一种实验性方法，通过分析可能促进DBS术后神经发生的候选基因的基因表达谱，来探讨DBS所触发的细胞事件。...

丘脑前核深部脑刺激后大鼠海马区基因表达变化的分析

本文介绍了一种将电极植入大鼠丘脑底核（STN）的方法。通过使用微电极记录系统，实现了对STN更精确的定位。此外，还介绍了一种刺激装置，其特点是动物头部与刺激器之间具有持久稳定的连接。...

微电极引导下大鼠丘脑底核电极植入术用于长期深部脑刺激

本文描述了一种用于治疗静脉注射甲基苯丙胺依赖的颅内电刺激递送方法，该刺激在时间上和空间上均与药物使用环境相分离。...

评估深部脑刺激对静脉内甲基苯丙胺自我给药影响的通用方法

本方案描述了一种用于在啮齿类动物颅骨表面永久植入电极插座以及胸部植入电极的手术设置。通过将第二个电极插入该插座，可在清醒动物中经完整颅骨向运动系统递送不同类型的经颅电刺激。...

清醒啮齿类动物经颅电脑刺激

本方案描述了使用功能超声（fUS）对小鼠大脑中体积性脑血流动力学变化进行定量分析的方法。文中以麻醉状态和清醒状态的小鼠为例，提供了在感觉刺激后获得三维功能激活图以及静息态功能连接图的操作流程。...

利用经颅功能超声成像在小鼠中进行全脑三维激活与功能连接图谱绘制

本方案描述了一种使用低剂量异氟烷联合低剂量右美托咪定获取大鼠稳定静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）数据的方法。...

大鼠静息态功能磁共振成像数据的采集

我们描述了一种用于评估急性深部脑刺激诱导的代谢性神经调节的临床前实验方法 体内 FDG-PET。本论文包含所有实验步骤，从立体定位手术到刺激治疗的实施，以及PET图像的采集、处理与分析。...

体内 正电子发射断层成像揭示大鼠深部脑刺激诱导的活动模式

了解深部脑刺激与同步功能磁共振成像技术，用于绘制啮齿动物大脑对电刺激的功能响应图谱。该方法结合立体定向电极植入与fMRI采集，为神经科学研究提供实时脑功能分析工具。

啮齿类动物深部脑刺激联合同步功能性磁共振成像

探索更多视频