L'IRM fonctionnelle optogénétiques

L'objectif général de cette procédure d'imagerie est de combiner l'IRM fonctionnelle avec une stimulation optogénétique afin de cartographier de manière spécifique aux types cellulaires les circuits neuronaux fonctionnels et leurs dynamiques dans l'ensemble du cerveau vivant. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des neurosciences, comme déterminer le rôle d'éléments spécifiques des circuits cérébraux dans l'activation globale du cerveau. Le principal avantage de cette technique est qu'elle permet une stimulation spécifique aux types cellulaires et une lecture de l'activité cérébrale globale avec une résolution spatiale relativement élevée.

La démonstration de cette procédure sera effectuée par Jia Liu et Zhongnan Fang, étudiants diplômés dans mon laboratoire. Après avoir anesthésié l'animal comme décrit dans le protocole écrit, raser la tête à l'aide d'un rasoir électrique et effectuer un triple nettoyage chirurgical de la peau à l'aide de Bétadine et d'un rinçage à 70 % d'éthanol. Ensuite, immobiliser le crâne de l'animal dans un appareil stéréotaxique.

Utilisez un scalpel pour réaliser une incision médiane du cuir chevelu de 15 à 20 millimètres. Rétractez le cuir chevelu à l’aide d’hémostats chirurgicaux fixés au périoste. Identifiez les positions de Lambda et de Bregma sur le crâne, puis positionnez le foret au-dessus de la région d’intérêt, ou ROI.

Pratiquer une petite craniotomie au-dessus de la région d'intérêt (ROI) à l'aide d'une fraise dentaire, en prenant soin de ne pas percer le cerveau. Insérer lentement une aiguille fixée à la seringue microlitrique à travers la craniotomie jusqu'à la région d'intérêt dans le cerveau. Utiliser ensuite un contrôleur de pompe à microsérine pour injecter deux microlitres de la solution vectorielle dans la région d'intérêt.

Une fois l'injection terminée, attendez 10 minutes, puis retirez lentement la seringue à une vitesse de 0,5 millimètre par minute. Après l'injection, séchez la surface du crâne. Vérifiez les coordonnées de la région d'intérêt (ROI) et insérez l'implant de ferrule à la profondeur cible à une vitesse de 0,5 millimètre par minute.

Enfin, fixez l'implant de ferrule sur le crâne à l'aide de ciment dentaire. Une fois que le ciment dentaire est solidifié, refermez l'incision par des points de suture autour du capuchon de ciment dentaire. Commencez par raccorder le câble de raccordement en fibre optique à une source lumineuse laser, puis mesurez la puissance émise à l'extrémité du manchon du câble de raccordement à l'aide d'un puissancemètre.

Réglez le niveau de puissance approprié pour produire la sortie souhaitée à l'extrémité du câble en fibre optique, qui est implanté à l'intérieur du cerveau. Évitez les fuites de lumière depuis l'implant en couvrant les yeux de l'animal. Ensuite, placez la bobine au-dessus de la tête de l'animal.

Utilisez un manchon de ferrule pour maintenir le câble en fibre optique contre l'implant de ferrule. Insérez le berceau contenant l'animal dans l'alésage du scanner. Surveillez la fréquence respiratoire, le CO2 tidal et la température corporelle tout au long de l'expérience en ajustant le ventilateur artificiel afin de maintenir les valeurs physiologiques dans des limites appropriées.

Connectez des câbles BNC depuis le port de déclenchement du scanner IRM vers le générateur de fonctions. Sélectionnez une séquence de positionnement et cliquez sur « scan » dans la fenêtre de fonctionnement. Cliquez sur « continue » pour visualiser la position de la tête de l'animal.

Si le cerveau n'est pas au centre isocentrique, ajustez la position de la tête de l'animal et répétez l'acquisition de positionnement jusqu'à ce que le cerveau soit au centre isocentrique. Acquérez une image anatomique de haute résolution afin de vérifier l'intégrité globale du cerveau et de confirmer l'emplacement de l'implant de fibre optique. Ensuite, sélectionnez une séquence pondérée en T2.

Ajustez le nombre de tranches, puis cliquez sur « scan » pour acquérir les images anatomiques coronales haute résolution pondérées en T2. Enfin, sélectionnez une séquence d'écho de gradient multi-tranches, puis cliquez sur « continuer » pour acquérir l'image fonctionnelle. Ce protocole utilise l'IRM fonctionnelle optogénétique pour stimuler le cortex moteur dans un modèle animal.

Cette carte d'activation montre les voxels activés dans le cortex moteur et le thalamus, indiquant des connexions synaptiques à longue distance entre ces régions. Ici, le signal en gras représente les voxels actifs dans le cortex moteur et le thalamus durant la stimulation optogénétique du cortex moteur. La fonction de réponse hémodynamique thalamique présente une réponse retardée par rapport à celle du cortex moteur après la stimulation.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière d'effectuer des chirurgies d'implantation et d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle optogénétique. Une fois maîtrisée, cette procédure d'imagerie peut être réalisée en deux heures. Lors de la réalisation de cette procédure, il est très important de surveiller l'animal et de maintenir sa physiologie dans des limites normales.

Après cette procédure, des méthodes complémentaires peuvent être utilisées, comme l'électrophysiologie pour étudier la dynamique temporelle de l'activité neuronale, ou l'immunohistochimie pour valider l'expression et la spécificité de l'opsine. Le développement de cette technique a ouvert la voie aux neuroscientifiques pour explorer la connectivité fonctionnelle dans un cerveau vivant intact. N'oubliez pas que travailler avec un appareil d'IRM peut être extrêmement dangereux.

Des précautions telles que le maintien d'un éloignement suffisant des équipements magnétiques par rapport au scanner doivent toujours être prises lors de l'exécution de cette procédure.