Funktionelle Magnetresonanzspektroskopie des Rattenfasskortex während der Whisker-Stimulation

Zusammenfassung

Quelle: Blanc, J., et al. Funktionelle Magnetresonanzspektroskopie bei 7 T im Rattenfasskortex während der Whisker-Aktivierung. J. Vis. Exp. (2019)

Dieses Video zeigt die Methode zur Analyse metabolischer Veränderungen im Rattenfasskortex mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanzspektroskopie während der Whisker-Stimulation. Die Metabolitenspektren zu Studienbeginn werden mit stimulierten Spektren verglichen, um einen Laktatanstieg im Fasskortex zu detektieren und eine erfolgreiche neuronale Aktivierung zu bestätigen.

Protokoll

Alle Verfahren, an denen Tiermodelle beteiligt sind, wurden vom örtlichen institutionellen Tierpflegeausschuss und dem Tierprüfungsausschuss von JoVE überprüft.

1. Erfassung der blutsauerstoffabhängigen funktionellen Magnetresonanztomographie (BOLD fMRT)

1. Platzieren Sie das Rattengehirn so, dass es sich in einer aufrechten Position befindet, und verwenden Sie die Ohrstangen, um es zu halten. Platzieren Sie die Volumen-Array-Spule über dem Kopf der Ratte (Abbildung 1A) und befestigen Sie sie mit Klebeband. Prüfen Sie, ob sich das Segel korrekt bewegt (anteroposteriore Bewegung, keine Drehung und keine Reibung des Segels), wenn das Air-Puff-System eingeschaltet ist. Schalten Sie es dann aus.
2. Setzen Sie das Bett und die Spule in die Mitte des Magneten ein. Prüfen Sie, ob sich das Segel noch richtig bewegt, wenn sich das Bett im Magneten befindet, wenn das Luftzugsystem eingeschaltet ist. Schalten Sie es dann aus. Vollständige Umstellung von Isofluran auf Medetomidin (Perfusionsrate: 20 μL/min).
3. Überprüfen Sie anhand einer Lokalisierungssequenz, ob sich die Ratte gut positioniert hat (Echozeit, TE = 2,5 ms; Wiederholungszeit, TR = 100 ms; Durchschnitt = 1; Wiederholung = 1; Scheibe = 1 mm; Bildgröße = 256 x 256; Sichtfeld (FOV) = 50 x 50 mm; Scanzeit = 12 s 800 ms). Ziehen Sie die Registerkarte Localizer-Sequenz in den Namen der Anweisung und klicken Sie auf Weiter.
4. Ziehen Sie die Registerkarte T2_Star_FID_EPI Sequenz (T2*-weighted free induction decay echo planar imaging) in den Befehlsnamen, zentrieren Sie das FOV auf die Mitte des Gehirns und klicken Sie auf die Registerkarte Anpassungsplattform, um die bearbeitete Scananweisung zu öffnen. Nehmen Sie ein B0-Map auf und fahren Sie mit einem Scan-Shim fort.
   HINWEIS: Verwenden Sie für ein Magnetfeld-Homogenitäts-Map (B0) die folgenden Parameter: erste Echozeit = 1,65 ms; TR = 20 ms, Mittelwert = 1; Flip-Winkel = 30°; Echoabstand = 3,805 ms; Scheibe = 58 mm; Bildgröße = 64 x 64 x 64; Sichtfeld = 58 x 58 x 58 mm; Scanzeit = 1 m 24 s 920 ms. Verwenden Sie für den Scan-Shim die folgenden Parameter: Voxel-selektive Anregung = Stimulated Echo Acquisition Mode (STEAM) Gaußscher Puls; TE = 5 ms; Mischzeit = 10 ms; Aufnahmedauer = 204,8 ms; Bandbreite = 10.000 Hz; Verweilzeit = 50 μs).
5. Starten Sie die T2-Star_FID_EPI-Sequenz (TE = 16,096 ms; TR = 500 ms; Durchschnitt = 1; Wiederholung = 600; Scheibe = 1 mm; vier aufeinanderfolgende Scheiben; Bildgröße = 128 x 128; Sichtfeld = 20 x 20 mm; Bandbreite = 333.333,3 Hz; Scanzeit = 5 min 00 s).
   HINWEIS: Aufgrund des TTL-Anschlusses (Transistor-Transistor-Logik) startet gleichzeitig ein externes Triggersignal das Air-Puff-System. Das Paradigma = [20 s Aktivierung + 10 s Pause] x 10, für die Gesamtdauer der 600 Scans, 500 ms pro Scan. Die Scheiben sind in der Mitte des Lauffeldbereichs zentriert.
6. Nehmen Sie eine weitere Lokalisierungssequenz auf (die gleiche wie die in Schritt 5.3 beschriebene), um sie mit der ersten zu vergleichen und zu überprüfen, ob sich die Ratte während der T2_Star_FID_EPI Sequenz bewegt hat.
7. Bringen Sie das Bett in seine Ausgangsposition, entfernen Sie die Volumenarray-Spule und schließen Sie die Oberflächenspule an.

2. FETT-Verarbeitung

1. Öffnen Sie die T2 Star_FID_EPI-Datei und lesen Sie das T2 Star_FID_EPI-Bild in der Bildanzeige. Öffnen Sie das Startfenster des Funktionscontrollers mit dem Namen FunController.
2. Wählen Sie auf dieser Registerkarte Verarbeitung das Fenster für die funktionelle Bildgebung aus und definieren Sie das Stimulationsprotokoll (Dauer und Wechsel der Ein-/Aus-Perioden entsprechend dem verwendeten Paradigma).
3. Wählen Sie das Protokollfenster (Datensatz mit 600 Bildern) aus und geben Sie den Wert 40 auf der Registerkarte "On Period" und 20 auf der Registerkarte "Off Period" ein. Klicken Sie auf die Registerkarte "Invert Attribution" und ziehen Sie den Schieberegler "Stimulationszustände" nach links, um den Wert 1 auszuwählen.
4. Klicken Sie im Vorverarbeitungsfenster auf den Median-Filter in der Ebene für die Vorverarbeitung und auf den Median-Filter (2D, 3D) für die Nachbearbeitung.
5. Klicken Sie auf die Registerkarte Ausführen und ziehen Sie die Cursor, um die Overlay-Lookup-Tabelle anzupassen. Visualisieren Sie das aktivierte Hirnareal (Abbildung 1B).

3. Aufnahmen mit Protonen-Magnetresonanzspektroskopie (1H-MRS)

1. Um die Oberflächenspule korrekt zu positionieren, ändern Sie die Position des Rattenkopfes. Drehen Sie den Kopf (ca. 30° im Uhrzeigersinn), so dass die Oberflächenspule (Abbildung 1A) direkt über dem linken Zylinderkortex platziert werden kann, während sie horizontal ist, und sich in der Magnetmitte befindet, wenn sie sich im Magneten befindet.
2. Platzieren Sie die Oberflächenspule, befestigen Sie sie mit Klebeband am Rattengehirn (Abbildung 2B) und überprüfen Sie, ob sich das Segel korrekt bewegt (anteroposteriore Bewegung, keine Drehung und keine Reibung des Segels), wenn das Luftpuffsystem eingeschaltet ist. Schalten Sie es dann am Hauptschalter aus.
3. Überprüfen Sie, ob sich das Segel richtig bewegt, sobald sich das Bett im Magneten befindet, wenn das Luftzugsystem eingeschaltet ist. Schalten Sie es dann aus.
4. Überprüfen Sie die korrekte Positionierung der Ratte anhand einer Lokalisierungssequenz. Stellen Sie die Parameter wie folgt ein: TE = 2,5 ms; TR = 100 ms; Durchschnitt = 1; Wiederholung = 1; Scheibe = 1 mm; Bildgröße = 256 x 256; Sichtfeld = 50 x 50 mm; scan time = 12 s 800 ms.
   1. Ziehen Sie die Registerkarte Localizer-Sequenz in das Fenster Befehlsname und klicken Sie auf die Registerkarte Weiter, um das Scanprogramm auszuführen.
5. Wenn die Lokalisierung des Gehirns korrekt ist, ziehen Sie die Registerkarte T2-gewichtete Turbo-Schnellerfassung mit Relaxation Enhancement (T2_TurboRARE) in das Fenster Befehlsname und klicken Sie auf Weiter, um das Scanprogramm auszuführen. Diese anatomischen Bilder ermöglichen zusammen mit der vorherigen BOLD-fMRT-Aufnahme die korrekte Lokalisierung des Voxels im primären somatosensorischen Fassfeld oder S1BF für MRS.
   HINWEIS: Die T2_TurboRARE Parameter sind 14 Schichten, 2 mm pro Schnitt, FOV = 2,5 x 2,5 cm, TE = 100 ms, TR = 5.000 ms, Matrix = 128 x 128, Sequenzzeit = 2 min 40 s.
6. Ziehen Sie die Registerkarte Sequenz Lokalisierung durch adiabatische selektive Refokussierung (LASER) in das Fenster Befehlsname, und platzieren Sie das Voxel (2 mm hoch, 2,5 mm lang, 3 mm tief) in der Mitte des S1BF-Bereichs.
   1. Verwenden Sie einen Rattenhirnatlas und die BOLD-fMRT-Verbesserung, um die Zone auf den T2-Bildern zu lokalisieren (Abbildung 3). Klicken Sie auf die Registerkarte Anpassungsplattform, um die bearbeiteten Scananweisungen zu öffnen. Klicken Sie auf die Registerkarte Wobble und ändern Sie die Impedanz (elektronische Belastung) der Empfangsspule leicht, um sie abzustimmen. Klicken Sie auf die Registerkarte Anwenden, wenn die Optimierung abgeschlossen ist, um den Anweisungseditor zu schließen und die Änderungen in der bearbeiteten Anweisung zu übernehmen.
7. Nehmen Sie ein B0-Map auf, scannen Sie das Shim und führen Sie dann ein lokales Shim aus.
   HINWEIS: Verwenden Sie für das B0-Map die folgenden Parameter: erste Echozeit = 1,65 ms; TR = 20 ms, Mittelwert = 1; Flip-Winkel = 30°; Echoabstand = 3,805 ms; Scheibe = 58 mm; Bildgröße = 64 x 64 x 64; Sichtfeld = 58 x 58 x 58 mm; Scanzeit = 1 m 24 s 920 ms. Verwenden Sie für die Scan-Unterlegscheibe die folgenden Parameter: Voxel-selektive Anregung, STEAM-Gaußscher Puls; TE = 5 ms; Mischzeit = 10 ms; Aufnahmedauer = 204,8 ms; Bandbreite = 10.000 Hz; Verweilzeit = 50 μs. Verwenden Sie für die lokale Unterlegscheibe die folgenden Parameter: Wasserunterdrückung, variable Leistung und optimierte Relaxation (VAPOR) Erfassungsdauer = 1.363,15 ms; Punkte = 4.096; Bandbreite in Hz = 3.004,81 Hz; Bandbreite in ppm (parts per million) = 10 ppm; Verweilzeit = 166,40 μs; spektrale Auflösung = 0,37 Hz/Punkte. Die LASER-Parameter sind: Echozeit = 19,26 ms; TR = 2.500 ms; Durchschnitte = 128 oder 32; Scanzeit = 5 min 20 s oder 1 min 20 s; Erwerbspunkte = 4.096.
8. Führen Sie 1H-MRS durch.
   1. Starten Sie die 1H-MRS-Erfassung zuerst während einer Ruhephase (4 x 32 LASER Scans + 128 LASER Scans; 2.500 ms pro Scan).
   2. Nehmen Sie eine andere Lokalisierungssequenz auf (die gleiche wie die in Schritt 5.3 beschriebene), um sie mit der ersten aufgezeichneten zu vergleichen, und stellen Sie sicher, dass sich die Ratte während der LASER-Erfassung nicht bewegt hat.
   3. Führen Sie 1H-MRS während der Whisker-Aktivierung mit der LASER-Sequenz (4 x 32 LASER-Scans + 128 LASER-Scans; 2.500 ms pro Scan) mit eingeschaltetem Air-Puff-System durch (Paradigma = 20 s Aktivierung und 10 s Ruhe).
   4. Führen Sie erneut eine Lokalisierungssequenz durch, um zu überprüfen, ob sich die Ratte bewegt hat.
      HINWEIS: Die Anzahl der Scans und Ruhe-/Aktivierungsphasen kann angepasst und geändert werden, stellen Sie jedoch immer sicher, dass sich die Ratte nicht bewegt, indem Sie regelmäßig eine Lokalisierungssequenz durchführen.

Ergebnisse

Abbildung 1: BOLD fMRT. (A) Platzierung der Volumen-Array-Spule. Der Rattenkopf befindet sich in horizontaler Position und wird durch Ohrstangen blockiert. Vergewissern Sie sich, dass sich das Segel frei bewegt und nicht durch die Spule ...

Materialien