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Ethik-Erklärung: Diese Vorgehensweise ist in Übereinstimmung mit den National Institutes of Health Richtlinien für Tierforschung (Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren) und wird von der Universität von North Carolina Institutional Animal Care und Verwenden Committee genehmigt.
1. Elektrodenimplantations
Der erste Schritt besteht Elektrodenimplantation. In diesem Schritt wird eine Elektrode in die einseitig Nucleus subthalamicus (STN), einen kleinen Kern mit Translations Bedeutung für die Behandlung der Parkinson-Krankheit mit den folgenden Methoden implantiert:
- Sterilisieren Sie alle chirurgischen Geräten unter Verwendung eines Autoklaven oder antiseptische Lösung, bei der Autoklavieren nicht möglich ist (zB für Elektroden Sterilität). Hinweis: dies ist eine kurzfristige Überleben der Operation und damit aseptische Technik ist unerlässlich. Nach der Operation können Tiere nach einer kurzen Erholungsphase (48 Stunden) oder bis zu mehrere Wochen abgebildet werden später.
- Anesthetize die Ratte (Adult Sprague-Dawley Ratten 250-400 g) mit 2,5% Isofluran über Intubation und einen kleinen Tierbeatmungsgerät verabreicht. Fix die Ratte zu einem stereotaktischen Operationsrahmen einsetzen und die Operationsstelle unter aseptischen Bedingungen.
- Vorzubereiten und sicherzustellen, dass die Elektrode steril. Eine hausgemachte 2-Kanal-Wolfram-Mikroelektrode ist für dieses Verfahren verwendet, obwohl viele MRI-kompatiblen Elektrodentypen funktionieren wird. Die Elektroden-Typ verwendet wird, kann die Fläche des Gewebes durch die Prozedur, die Gewebebereich stimuliert wird, und die Richtigkeit der Implantation mechanisch beschädigt beeinflussen, wodurch die Gesamtversuchsergebnis beeinträchtigen. Wenn die Elektroden-Typ ist nicht in der Lage, autoklaviert, verwenden Povidon-Jod antiseptisch, um die Elektrode so weit wie möglich zu sterilisieren.
- Mit einer Schere zu entfernen die Kopfhaut über der Implantationsstelle mit einem Durchmesser von ungefähr 1,5 cm, zu Bregma und Lambda auf den Schädel freizulegen. Entfernen Sie die Muskeln und Faszien, die über dem Schädelund stoppt die Blutungen mit Elektrokauter.
- Rubbeln Sie an der Schädeloberfläche in mehrere Richtungen mit einem Skalpell zu Zahnzement Haftung (Schritt 1.8) zu verbessern. Ebene Bregma und Lambda in der horizontalen Richtung.
- . Um STN Ziel, bei 3,6 mm hinter Bregma und 2,5 mm seitlich der Mittellinie mit einem kleinen Trinkgeld-Bohrmaschine, ein Bohrloch Abmessungen von etwa 1,5 mm Durchmesser erstellen Hinweis: Die genaue Lage der STN in Bezug auf stereotaktischen Koordinaten kann je nach Rattenstamm, Gewicht und Geschlecht. Erwachsene Ratten des gleichen Geschlechts verwendet werden sollte, um eine Variation in Lage zu minimieren. Wenn möglich, sollte voroperationellen anatomischen Scans oder intraoperative elektrische Aufnahmen verwendet, um die STN Lage auf einer individuellen Basis Gegenstand zu identifizieren. Ferner sollte Elektrode Terminationsstellen histologisch überprüft werden, um die Zielgenauigkeit zu gewährleisten.
- Einen Einschnitt vorsichtig machen in der Dura, und verwenden Sie kleine stumpfe Pinzette, um die Dura an den Seiten des th bewegene Loch. Beenden Sie alle Blutung mit sterilen Watte in Kochsalzlösung eingeweicht. Neues Löcher für eine oder mehrere MR-kompatiblen Schrauben) und legen Sie sie sanft in den Schädel, bis sie stabil sind. Schrauben können an jedem Ort, wo sie die Platzierung des externen Verbinders für die DBS-Elektrode nicht stören (z. B. nicht direkt hinter der STN ipsilateral zur Elektrode.) Platziert werden. Wir empfehlen Platzierungen an den seitlichen Rändern des Schädels, idealerweise direkt an die Lambda-Naht posterior. An diesem Punkt, der Schädel ist relativ dick, die Verringerung der Wahrscheinlichkeit, dass die Schrauben wird die Rinde zu beschädigen ". Hinweis: Messingschrauben auf 4-5 mm Länge geschnitten werden in diesem Protokoll verwendet, obwohl Kunststoffschrauben sind ebenfalls geeignet.
- Setzen Sie die Elektrode auf der stereotaktischen Arm, so dass sie gerade und senkrecht ist. Berühren Sie die Elektrode zu Bregma, dann genau 3,6 mm hinter Bregma und 2,5 mm lateral bewegen die Elektrode an der Mittellinie und berühren Sie die kortikalen Oberflächemit der Elektrode. Von der kortikalen Oberfläche, legen Sie die Elektrode 7,8 mm ventral. Diese Koordinaten werden mit Bezug auf eine neuroanatomischen Atlas 1 bestimmt.
- Eine Schicht Zahnzement über den Schädel, einschließlich der Schädelschrauben und Elektroden Einfügemarke. Warten Sie, bis der Zement vollständig vor, die Elektrode entfernt von dem stereotaktischen Rahmen gehärtet. Biegen Sie die Elektrode nach hinten und verwenden Sie zusätzliche Zement, um den Rest der Elektrode-Darm-Trakt und Stecker für Haltbarkeit zu decken.
2. fMRI-Vorbereitung
Der zweite Schritt ist das Setup für fMRI, einschließlich Positionierung der Spule und das Setup der physiologischen Überwachungsgeräten.
- Sichern Sie den Kopf des Tieres, um Bewegung während des Scans zu verhindern. Hinweis: Eine kundenspezifische Kunststoff intraauricular Bar-System ist für Kopf-Fixierung verwendet. Setzen Sie die Stangen in die Gehörgänge und zu sichern, um das Kopfstück, so dass der Kopf dreht sich reibungslos in thE vertikaler Richtung ohne horizontale Drehung. Befestigen Sie die Kopfposition durch die Festsetzung der oberen Zähne in die Vorrichtung.
- Anesthetize die Ratte vollständig und überwachen endexspiratorischen CO 2, um die Stabilität in allen Scans zu gewährleisten. Anästhesie-, Lüftungs-und Steuer endexspiratorischen CO 2 Niveaus aufrechtzuerhalten während der Abtastung wird ein MR-kompatibler Kleintierbelüftungssystem in Kombination mit einer Isofluran Verdampfer zum Einsatz, wenn eine Vielzahl von Narkose und Sedierung Mittel können in ähnlicher Weise verwendet werden. Stellen Sie den Ventilator bis 45 Atemzüge / min mit einer moderaten Lautstärke, etwa 500 ml / min Luft als Ausgangsvolumens. Stellen Sie die Isofluran auf 2% und übertragen die Ratte in die Scan-Raum. Bringen Ausgang des Beatmungsgerätes zu Endotrachealtubus der Ratte und drücken fest zu sichern. Capnometry sollte mit einem Rohr als eng mit dem Endotrachealtubus verbunden Verbinder wie möglich erfasst werden. Stellen Ventilationsvolumen, eine End-Gezeiten-CO 2 von 2,6% auf 3,3% zu produzieren.
- Verwenden eines MR-kompatiblen Kleintierhalter, um die Ratte in den Scanner mit einem zirkulierenden Wasserbad zur Temperaturkontrolle einzusetzen. Kleben Sie das Pad des Bades auf den Halter und bedecken Sie es mit sauberen, saugfähigen Papier. Legen Sie die Ratte auf den heißen Wasserbett.
- Überwachung von Temperatur und Kohlendioxid-Werte sind unerlässlich, um BOLD fMRI, während arterielle Sauerstoffsättigung und Herzfrequenz sind auch nützlich, physiologische Parameter. Legen Sie eine MR-kompatiblen rektale Temperatursonde und kleben Sie es auf der Basis des Schwanzes, und stellen Sie dann die Temperatur des Wasserbades auf normale Körpertemperatur bei 37 ° C zu halten Überwachung der arteriellen Sauerstoffsättigung und die Herzfrequenz mit Hilfe eines Kleintier-Pulsoxymetrie-System, um sie auf 95-98% und 250-350 bpm verbunden, die je nach Art der Anästhesie verwendet werden, variieren können. Sauerstoffsättigung und Herzfrequenz werden sowohl von der Narkosetiefe, Ventilationsvolumen und Atemfrequenz beeinflusst. Ventilation Volumen und die Geschwindigkeit musssorgfältig abgewogen werden, um eine angemessene endexspiratorischen CO 2-Gehalt und eine ausreichende Sauerstoffsättigung aufrechtzuerhalten.
- Oberflächenspule für BOLD fMRI Erwerb notwendig. Legen Sie die Oberflächenspule so nah an der Oberfläche des Kopfes wie möglich. Einmal befestigt, legen Zahnpasta auf die Oberfläche des Kopfes auf dem Zement Kappe, um die Anfälligkeit Artefakte in der Nähe der Hirnoberfläche zu reduzieren. Hinweis: Wir verwenden eine hausgemachte Transceiver Oberflächenspule mit einem Innendurchmesser von ca. 1,6 cm, obwohl größere Oberflächenspulen können verwendet, um die BOLD-Antwort in tiefere subkortikale Regionen zu optimieren.
- Schließen Sie die Stimulationselektrode mit einer programmierbaren elektrischen Stimulator System. Hinweis: Wir verwenden eine maßgeschneiderte programmierbare TTL-Triggersystem zu einem bipolaren Stimulator verbunden, um elektrische Impulse an die HF-Anregungen aus den MR-Scans synchronisiert zu liefern.
- Für Sedierung und Lähmung während der fMRT-Datenerfassung, mit einem Cocktail von Dexmedetomidin (0,1mg / kg / h, ip) und Pancuronium (1 mg / kg / h, ip) in Kombination mit niedrig dosiertem Isofluran bei 0,5% zu epileptischen Aktivität 2 zu verhindern. Für Arzneimittelinfusions muss ein MR-kompatibler Spritzenpumpe verwendet werden, wenn die Pumpe in der magnetischen Umgebung platziert werden. Alternativ kann eine nichtkompatible Pumpe außerhalb der Magnetumgebung sofern erweiterten Katheterschlauch verwendet platziert werden.
3. fMRT-Datenerfassung
Der dritte Schritt ist fMRI Nahme, einschließlich Positionieren Shim, anatomischen Scans und Funktionsprüfungen. Ein 9,4-Tesla-System mit einem hausgemachten Oberflächenspule wird hier verwendet, obwohl diese Technik auch auf andere Hochfeld-Systeme angepasst werden und kommerziell gemacht MRT-Spulen.
- Legen Sie die Ratte in den Scanner und die Position in der Mitte des Magneten. Verwenden Sie ein Drei-Ebenen-Bild-Scout, um die Ratte genau zu zentrieren innerhalb des Magneten in Bezug auf die Hirnregionen von Interesse und FastMap Shim zu homonisieren das magnetische Feld an den interessierenden Bereichen.
- Verwenden Sie eine sagittale T2-gewichtete RARE-Sequenz (FOV, 2,56 x 2,56 cm 2, Matrixgröße, 256 x 256, Schichtdicke 1,5 mm, TR / TE, 1500 bis 1511 ms; RARE Factor, 8; Flip Winkel, 180 °) um den Standort der vorderen Kommissur zu finden, und richten Sie die folgenden Bilder zu diesem Ort. Richten acht-Slice-Single-Shot-GE-EPI-Scans (FOV, 2,56 x 2,56 cm 2, Matrixgröße, 96 x 96, umgebaut zu 128 x 128, Schichtdicke, 1mm, TR / TE 1000/14 ms) zu diesem Punkt mit koronaler Orientierung.
- Zur funktionellen Scans verwenden 70 aufeinander folgenden EPI-Scans mit 1 Sekunde Zeitauflösung auf die Stimulation Ausgang synchronisiert, bis 20 s Ruhe gesetzt, 10 sec Stimulation, gefolgt von 40 Sekunden Ruhe. Warten Sie mindestens 90 Sekunden zwischen den Scans für neurovaskuläre Wiederherstellung zu ermöglichen. Erwerben mehreren wiederholten Abtastungen an jedem Stimulationsparameters, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch Mittelung zu verbessern. Verwenden Sie eine Reihe von Dummy-Scans (in der Regel 4-8) Unmittelbar vor der Rauschunterdrückung für das Scannen. Bestätigen Sie die BOLD-Reaktion zum Zeitpunkt der Bildaufnahme zum Erfolg des Experiments zu gewährleisten mit dem im Abschnitt 4 beschriebenen Methode, obwohl Mittelung, Koregistrierung und Schädel-Strippen kann in dieser Einstellung übersprungen werden.
- Nach Funktionsscanvorgang abgeschlossen ist, verwenden Sie ein T2-gewichteten RARE Spin-Echo-Sequenz (FOV, 2,56 x 2,56 cm 2, Matrixgröße, 256 x 256, Schichtdicke, 1 mm; TR / TE 2500/33 ms; Durchschnitte, 8 ) der anatomischen Position der Elektrode in vivo zu messen. Erwerben Sie mehrere koronalen und sagittalen Abschnitte, um die Spitze der Elektrode entlang Artefakt anterior / posterior, medial / lateral und dorsal / ventral Achsen messen und bestätigen Elektrodenplatzierung. Hochauflösende Magnetresonanzmikroskopie (FOV, 1,8 x 1,28 cm; Matrixgröße, 360 x 256, Schichtdicke 0,5 mm, TR / TE, 2500/12.6 ms; RARE Faktor, 8; Durchschnitte, 280) kann verwendet werden, zu untersuchen, werden die genaue Lage der Elektrodenwege nach Entfernung gegenin der Nähe neuroanatomische Strukturen und bestätigen Sie die Richtigkeit der Elektrodenplatzierung 3.
4. fMRI Datenverarbeitung und-analyse
Der vierte Schritt ist die Verarbeitung und Analyse von fMRI-Daten, einschließlich der Erzeugung von Antwortkarten und Berechnung der prozentualen BOLD Signaländerung. Individuelle Programme laufen innerhalb einer IT-Umgebung (zB MATLAB) oder kommerzielle fMRI-Software-Tools (z. B.. SPM, FSL oder AFNI) können eingesetzt werden.
- Beginnen Sie mit Bildab und Mittelung der Daten zunächst intraindividuelle nach Häufigkeit, gefolgt von across-Thema. Hinweis: Wir erreichen dies mit SPM-Codes.
- Führen Schädel Strippen zu nonbrain Gewebe zu entfernen mit manuell definierten Region of Interest (ROI) mit Signalschwellen. Automatische Schädel kann Strippen Algorithmen eingesetzt werden.
- Kompilieren Antwortkarten durch Berechnen des Korrelationskoeffizienten des Verhältnisses von BOLD resPonse über die Zeit und die Stimulation Paradigma für jedes Voxel. Verzögerung der Paradigmen mehrere Sekunden für die Verzögerung in hämodynamischen Antwort-Konto erforderlich. Stellen signifikanten Niveau bei P <0,05 nach Bonferroni-Korrektur. Andere statistische Verfahren eingesetzt werden. Korrektur für Mehrfachvergleiche mit Zufallsfeldtheorie oder Cluster-Level-Korrektur basierend auf Gaußsche Zufalls Feld kann anstelle der Bonferroni-Korrektur für empfindlichere Analyse 4 durchgeführt werden. Hinweis: Die hämodynamischen Verzögerung kann auf Basis von Gehirnregionen gezielt zu variieren, verwendet pharmakologische Mittel, und physiologischen Parametern. Es ist entscheidend, um diese Parameter, um die Variabilität innerhalb und zwischen-Subjekt-Themen verhindern steuern.
- Quantifizierung der BOLD-Antwort durch die Definition einer ROI zu Zeit-Gänge-Daten zu extrahieren. Durchschnittlich die prozentuale Signaländerung über alle Voxel innerhalb der gleichen anatomischen Struktur. Voxel-weise Analyse unter Verwendung des allgemeinen linearen Modell können auch verwendet werden 5.