Deep Brain Stimulation mit gleichzeitiger fMRT in Nagetiere

Dieses Protokoll beschreibt eine Standardmethode für den Nagetieren gleichzeitigen funktionellen Magnetresonanztomographie und der tiefen Hirnstimulation. Die kombinierte Verwendung dieser experimentellen Werkzeuge ermöglicht die Erforschung des globalen abwärts Aktivität in Reaktion auf eine elektrische Stimulation an praktisch jeder Gehirnziel.

Hallo, ich bin John Ya.Und ich bin Dan Alba. Heute zeigen wir Ihnen, wie die funktionelle MRT funktioniert. Gleichzeitige tiefe Hirnstimulation bei einer Ratte.

Wir können diese Technik verwenden, um funktionelle Reaktionen im gesamten Gehirn auf die tiefe Hirnstimulation an einer Vielzahl von Zielen abzubilden. Bei diesem Verfahren handelt es sich um die stereotaktische Elektrodenimplantation FMRI-Akquisition, eine Analyse der funktionellen Reaktionen. Der erste Schritt ist die Elektrodenimplantation.

Wir werden eine Elektrode einseitig in den Nucleus subthalamicus implantieren. Wir beginnen damit, das Tier vollständig zu betäuben und physiologische Parameter, einschließlich Sauerstoffversorgung und Körpertemperatur, während des gesamten Eingriffs zu überwachen. Beginnen Sie mit der Vorbereitung der Operationsstelle, indem Sie Haare entfernen und das Tier an einem stereotaktischen Rahmen befestigen.

Verwenden Sie Salbe, um die Augen des Tieres während des Eingriffs zu befeuchten. Tragen Sie ein Antiseptikum auf die Stelle auf und bringen Sie Abdecktücher auf dem sterilisierten Feld an. Zur vollständigen Vorbereitung des Operationsfeldes.

Entfernen Sie die Haut und die Faszien über dem Schädel und stellen Sie sicher, dass bgma und lambda freigelegt werden. Verwenden Sie ein Skalpell, um die Schädeloberfläche aufzurauen, um die Zementbefestigung im späteren Verlauf des Eingriffs zu verbessern. Und verwenden Sie sterile Baumwolle in der Elektrokauter für die Blutstillung über der Knochenoberfläche und schneiden Sie Gewebe.

Verwenden Sie eine Nadel, die am stereotaktischen Arm befestigt ist, um die genaue Position des bgma als Referenz für die Kraniotomie zu berühren, und markieren Sie die Position auf dem Schädel mit der Nadel für den Nucleus subthalamicus. Dies ist 3,6 Millimeter posterior Torema und 2,5 Millimeter lateral von der Mittellinie. Mache mit einem kleinen Bohrer ein kleines Loch in den Schädel, um die Ränder des Lochs zu reinigen und zu sondieren.

Verwenden Sie eine kleine Nadel, um die Duraloberfläche gründlich zu stören und zusätzliche Blutungen oder Leckagen von zerebraler Rückenmarksflüssigkeit zu reinigen. Nun werden wir eine MRT-kompatible Schraube zur Verankerung in den Schädel einsetzen. Bohren Sie ein Loch in den Schädel kontralateral und posterior zur zukünftigen Elektrodenposition.

Platzieren Sie die Schraube tief genug, um sicher zu sein, aber ohne auf Dura oder Kortex zu drücken, verwenden wir eine MRT-kompatible hausgemachte Zweikanal-Wolfram-Mikroelektrode zur Stimulation. Überprüfen Sie die Elektrode, um sicherzustellen, dass sie gerade ist und die Leitungen nicht gespalten sind. Platzieren Sie die Elektrode in vertikaler Position auf dem stereotaktischen Arm und berühren Sie die Spitze mit bgma.

Bewegen Sie die Elektrode mit dem stereotaktischen Rahmen zur Messung an die Position der Zielhirnregion und berühren Sie die kortikale Oberfläche. Senken Sie die Elektrode mit dem stereotaktischen Rahmen für die Messung ab. Stellen Sie sicher, dass sich die Elektrode nicht verbiegt.

Legen Sie während dieses Prozesses zuerst eine erste Schicht Zement auf, um einen trockenen Schädelservice zu gewährleisten. Nachdem die erste Schicht getrocknet ist, biegen Sie die Elektrode nach hinten und tragen Sie dann zusätzlichen Zement auf, um die Stabilität zu erhöhen. Lassen Sie den Zement vollständig trocknen, bevor Sie das Tier entfernen.

Das Tier kann nun wiederbelebt oder sofort für die funktionelle MRT-Untersuchung vorbereitet werden. Der zweite Schritt ist die Vorbereitung des Tieres für die FMRI- und FMRI-Erfassung. Dies kann unmittelbar nach der Operation oder einige Tage später erfolgen.

Es sollte ein Kopfstück verwendet werden, um den Kopf des Tieres in Bezug auf die Spirale vollständig zu immobilisieren. Das Tier sollte endotracheal, intubiert und beatmet werden. Es kann eine Vielzahl von Anästhetika verwendet werden.

Wir verwenden dme, toine und combin mit niedrig dosiertem isof. Die Fluorlähmung sollte unter Verwendung einer Pantonium-Akquisitionskappengeometrie in der Nähe der Verbindung des Beatmungsschlauchs mit dem Endotrachealtubus durchgeführt werden. Passen Sie die Einstellungen des Beatmungsgeräts an, um das TAL-CO2 am Ende zu stabilisieren.

Im Normalbereich sollten die Temperaturen im Allgemeinen bei 3 % mit einer rektalen Sonde überwacht werden, die an der Basis des Schwanzes befestigt ist. Ein zirkulierendes Heißwasserbad sollte so eingestellt werden, dass die Körpertemperatur im normalen Bereich stabilisiert wird. Die Pulsoximetrie kann auch im Bereich der Hinterpfote durchgeführt werden, wobei Zahnpasta über den zu scannenden Bereich gelegt wird, um die Bildqualität zu verbessern.

Platzieren Sie eine Oberflächenspirale direkt über den zu scannenden Hirnregionen. Befestigen Sie die Spule fest am Kopfstück und an der Halterung. Verbinden Sie das Stimulationssystem mit dem Elektrodenanschluss und befestigen Sie die Leitungen.

Decken Sie das Tier ab, um die Isolierung in der gekühlten Umgebung des Magneten zu verbessern. Jetzt ist es an der Zeit, das Tier in die Mitte des Magneten einzuführen. Verwenden Sie ein S-Scout-Bild mit drei einfachen S, um das Tier global präzise innerhalb des Scanners zu positionieren.

Unterlegscheibe in Bezug auf die kortikale Oberfläche, um die Homogenität des Magnetfeldes zu verbessern. Verwenden Sie dann FMAP, um lokal an den Gehirnregionen zu shimen, die für funktionelle Scans verwendet werden sollen. Erfassen Sie eine einzelne T-Scheibe mit zwei Gewichten in einer mittleren Sagittalebene.

Erstellen Sie einen Einzelbildverlauf. Echo EPI-Scan mit einer Matrixgröße von 96 x 96, einem Sichtfeld von 2,56 x 2,56 Zentimetern. Wiederholzeit von 1000 Millisekunden, Echozeit von 14 Millisekunden und Schichtbreite von einem Millimeter mit vier Dummy-Scans gefolgt von 70 Wiederholungen.

Jeder Scan mit diesen Parametern sollte eine Sekunde dauern. Für eine Gesamtscanzeit von 70 Sekunden richten Sie diesen EPI-Scan an der vorderen Kommissur des vorherigen T zwei Sagittalbild aus, um die geometrische Konsistenz zwischen den Probanden zu gewährleisten, stellen Sie die Stimulation, die Frequenz, die Pulsbreite und das Stimulationsparadigma ein und synchronisieren Sie den Stimulationsauslöser mit den HF-Ausgängen der Scansequenz. Hier verwenden wir eine Frequenz von 130 Hertz, eine Pulsbreite von 90 Mikrosekunden und ein Stimulationsparadigma von 60 Sekunden Ruhe, gefolgt von 30 Sekunden Stimulation und schließlich 120 Sekunden Ruhe.

Stellen Sie dann die Art des Stimulationsstroms ein, einschließlich der gewünschten Stromamplitude und des bipolaren Stromausgangs. Der EPI-Scan stellt sicher, dass die Stimulation nach der Akquisition angemessen ausgelöst wird, um eine robuste Reaktion mit den im folgenden Abschnitt beschriebenen Datenanalysewerkzeugen zu gewährleisten. Tritt dies nicht ein, überprüfen Sie die Anschlüsse des Stimulators.

Nachdem alle Scans erforderlich sind, sollten anatomische Scans durchgeführt werden, um die ungefähre Elektrodenposition zu messen und die Elektrodenposition innerhalb des beabsichtigten Ziels sicherzustellen. Danach kann die Ratte wiederbelebt und für weitere Experimente konserviert werden. Nachdem alle notwendigen Experimente durchgeführt wurden, kann das Tier schließlich in der Gehirndurchblutung mit Formalin eingeschläfert werden.

Wenn der Elektrodentrakt entfernt ist, können zwei gewichtete Scans mit der Hautauflösung T durchgeführt werden, um den Elektrodentrakt und seine Beziehung zu nahegelegenen Strukturen zu identifizieren. In diesem Fall endet der Elektrodentrakt nur ventral der inneren Kapsel im Nucleus subthalamicus, was die Implantationsgenauigkeit bestätigt. Als Nächstes verarbeiten und analysieren wir die Ergebnisse unserer Funktionsscans.

Zu diesem Zweck verwenden wir ein speziell geschriebenes Programm, das in Matlab ausgeführt wird, obwohl andere Softwarepakete für die FMRI-Analyse in Matlab auf ähnliche Weise verwendet werden können. Verwenden Sie SPM-Codes, um einen steifen Körper auf alle Stimulusversuche anzuwenden. Erstellen Sie dann ein durchschnittliches Bildsegment, wobei der Zeitverlauf der Scans beibehalten wird, und führen Sie das Schädelstripping nach Anwendung eines Grenzwerts manuell durch.

Jetzt werden wir Korrelationskoeffizientenkarten für die interessierenden Hirnregionen erstellen. Die Rauschreduzierung kann mit einer minimalen Cluster-Größe oder einer Tiefpassglättung von drei mal drei erfolgen. Das Stimulationsparadigma sollte eingegeben werden, und eine kurze Paradigmenverzögerung kann eingestellt werden, um die hämodynamische Verzögerung zu berücksichtigen.

Für jedes Voxel kann dann der Korrelationskoeffizient der Änderung der Signalintensität über die Zeit in Bezug auf das Stimulationsparadigma berechnet werden. Dies kann über jede Schicht abgebildet werden, um neuroanatomische Regionen zu identifizieren, in denen die Ballreaktion stark mit dem experimentellen Protokoll korreliert. Regions of Interest können manuell definiert werden oder ein Polygon als Annäherung verwenden.

Die prozentuale Signaländerung innerhalb dieses interessierenden Bereichs kann dann unter Verwendung des Vorstimulationssignals als Ausgangsbasis bestimmt werden. Diese Werte können dann für statistische Analysen exportiert werden. Hier haben wir eine tiefe Hirnstimulation am subthalamischen Kern durchgeführt, und die Reaktionen auf unserer Korrelationskoeffizientenkarte sind in Gehirnregionen, die von diesem Kern entfernt sind.

Hier sehen wir positive, fette und kortikale Regionen vor dem Ort der Stimulation in der hintersten Schnittstelle. Das Artefakt der Stimulationselektrode ist sichtbar, wenn die Änderung der Signalintensität im Laufe der Zeit für eine kortikale Region von Interesse berechnet wird. Das Ergebnis wird auf dem Bildschirm angezeigt, wobei das Stimulationsparadigma hier durch einen gelben Balken dargestellt wird.

Dies kann verwendet werden, um die mutige Reaktion zu quantifizieren, und für die weitere Analyse haben wir gerade die tiefe Hirnstimulation mit gleichzeitiger funktioneller MRT in einem Nagetiermodell demonstriert. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.I.