L'IRM fonctionnelle optogénétiques
19 avril 2016
Ce protocole décrit les étapes et l’analyse des données nécessaires pour réaliser avec succès l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle optogénétique (IRMo). L’IRMf est une nouvelle technique qui combine la lecture de l’IRMf à haut champ avec la stimulation optogénétique, permettant une cartographie spécifique au type cellulaire des circuits neuronaux fonctionnels et de leur dynamique dans l’ensemble du cerveau vivant.
L’objectif global de cette procédure d’imagerie est de combiner l’IRM-F avec la stimulation optogénétique pour une cartographie spécifique au type de cellule des circuits neuronaux fonctionnels et de leur dynamique dans l’ensemble du cerveau vivant. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des neurosciences, telles que la détermination du rôle d’éléments spécifiques des circuits cérébraux dans l’activité cérébrale globale. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet une stimulation spécifique au type de cellule et une lecture à résolution spatiale relativement élevée de l’activité cérébrale globale.
Jia Liu et Zhongnan Fang, étudiants diplômés dans mon laboratoire, feront la démonstration de cette procédure. Après avoir anesthésié l’animal comme décrit dans le protocole textuel, rasez la tête avec un rasoir électrique et effectuez un triple gommage chirurgical sur la peau à l’aide de bétadine et d’un rinçage à 70 % d’éthanol. Ensuite, immobilisez le crâne de l’animal dans un appareil stéréotaxique.
À l’aide d’un scalpel, faites une incision médiane de 15 à 20 millimètres sur la ligne médiane du cuir chevelu. Rétracter le cuir chevelu à l’aide d’hémostats chirurgicaux fixés au périoste. Identifiez les emplacements Lambda et Bregma sur le crâne, puis positionnez le trépan sur la région d’intérêt, ou ROI.
Percez une petite craniotomie sur le retour sur investissement avec une fraise dentaire, en prenant soin de ne pas percer le cerveau. Insérez lentement une aiguille attachée à la seringue d’un microlitre à travers la craniotomie dans le retour sur investissement dans le cerveau. Ensuite, utilisez un contrôleur de pompe à microseringue pour injecter deux microlitres de la solution vectorielle dans le retour sur investissement.
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. Confirmez les coordonnées pour le retour sur investissement et insérez l’implant de virole à la profondeur cible à une vitesse de 0,5 millimètre par minute.
Enfin, montez l’implant de virole sur le crâne à l’aide de ciment dentaire. Une fois que le ciment dentaire s’est solidifié, scellez l’incision avec des sutures autour du capuchon de ciment dentaire. Commencez par connecter le câble de raccordement à fibre optique à une source de lumière laser et mesurez la sortie à l’extrémité du corps du câble de raccordement à l’aide d’un wattmètre.
Ajustez le niveau de puissance approprié pour produire la sortie souhaitée à l’extrémité du câble à fibre optique, qui est implanté à l’intérieur du cerveau. Évitez les fuites de lumière de l’implant en couvrant les yeux de l’animal. Ensuite, placez la bobine sur la tête de l’animal.
Utilisez un manchon de virole pour maintenir le câble à fibre optique sur l’implant de virole. Insérez le berceau avec l’animal dans l’alésage du scanner. Surveillez le rythme respiratoire, le CO2 courant et la température corporelle tout au long de l’expérience en ajustant le ventilateur artificiel pour maintenir les valeurs physiologiques dans les limites appropriées.
Connectez les câbles BNC du port de déclenchement du scanner IRM au générateur de fonctions. Sélectionnez une séquence de positionnement et cliquez sur scan' dans la fenêtre de fonctionnement. Cliquez sur continuer pour imager l’emplacement de la tête de l’animal.
Si le cerveau n’est pas à l’isocentre, ajustez l’emplacement de la tête de l’animal et répétez le balayage de positionnement jusqu’à ce que le cerveau soit à l’isocentre. Acquérir une image anatomique à haute résolution pour vérifier l’intégrité globale du cerveau et confirmer l’emplacement de l’implant de fibre optique. Ensuite, sélectionnez une séquence pondérée T2.
Ajustez le nombre de tranches, puis cliquez sur scan' pour acquérir les images anatomiques coronales haute résolution pondérées T2. Enfin, sélectionnez un dégradé multi-tranches rappelé echo-sequence, puis cliquez sur continuer' pour acquérir l’image fonctionnelle. Ce protocole utilise l’IRM-F 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 portée entre ces régions. Ici, le signal gras est montré pour les voxels actifs dans le cortex moteur et le thalamus lors de la stimulation optogénétique du cortex moteur. La fonction de réponse hémodynamique thalamique montre une réponse retardée par rapport à la réponse dans le cortex moteur après stimulation.
Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’effectuer des chirurgies d’implantation et de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle optogénétique. Une fois maîtrisée, cette procédure d’imagerie peut être réalisée en deux heures. Lors de la tentative de cette procédure, il est très important de surveiller l’animal et de maintenir sa physiologie dans les limites normales.
À la suite de cette procédure, des méthodes complémentaires peuvent être utilisées, telles que l’électrophysiologie pour étudier la dynamique temporelle de la neuroactivité, 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 étudier la connectivité fonctionnelle dans un cerveau intact et vivant. N’oubliez pas que travailler avec un scanner IRM peut être extrêmement dangereux.
Des précautions telles que garder l’équipement magnétique suffisamment éloigné du scanner doivent toujours être prises lors de cette procédure.
Aperçu
Ce protocole décrit la procédure et l'analyse de données pour la réalisation de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle optogénétique (ofMRI), une technique qui intègre l'IRM haute fréquence avec la stimulation optogénétique. Cette méthode permet aux chercheurs de cartographier les circuits neuronaux fonctionnels et leur dynamique dans des cerveaux vivants avec une spécificité de type cellulaire.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Techniques d'imagerie
- Optogénétique
Contexte
- L'ofMRI combine l'IRM et la stimulation optogénétique.
- Cette technique permet une cartographie précise des circuits neuronaux.
- Elle répond à des questions clés sur les fonctions des circuits cérébraux.
- La haute résolution spatiale est un avantage significatif de cette méthode.
Objectif de l'étude
- Démontrer l'utilisation de l'ofMRI pour étudier les circuits neuronaux.
- Fournir un protocole détaillé pour les chercheurs.
- Souligner l'importance de la surveillance des paramètres physiologiques pendant la procédure.
Méthodes utilisées
- Préparation de l'animal et anesthésie.
- Craniotomie et injection de solution de vecteur dans le cerveau.
- Implantation de câble à fibre optique et connexion à une source de lumière laser.
- Utilisation d'un scanner IRM pour l'imagerie et l'acquisition de données.
Résultats principaux
- Les cartes d'activation montrent les connexions entre le cortex moteur et le thalamus.
- Réponse hémodynamique retardée démontrée dans le thalamus.
- Implémentation réussie de la stimulation optogénétique pendant l'imagerie.
- La procédure peut être achevée en environ deux heures.
Conclusions
- L'ofMRI est un outil précieux pour étudier la connectivité fonctionnelle dans le cerveau.
- Maintenir la physiologie de l'animal est crucial pendant la procédure.
- Des méthodes complémentaires peuvent améliorer la compréhension de la dynamique de la neuroactivité.
Questions fréquemment posées
Executive Industry Relevance
Optogenetic functional MRI (ofMRI) enables cell-type-specific interrogation of neural circuits with whole-brain spatial resolution, supporting target validation in neuropsychiatric drug discovery. By linking precise circuit manipulation to global brain activity readouts, the method enhances mechanistic de-risking and predictive confidence in early-stage target hypotheses. This capability aids portfolio triage by clarifying functional connectivity relevant to disease models and therapeutic mechanisms.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of specific brain circuit elements in driving global activity, supporting therapeutic hypothesis testing.
- Operational Value: Provides cell-type-specific stimulation with high spatial resolution readout of brain dynamics.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates activation maps showing long-range synaptic connections, such as between motor cortex and thalamus, for circuit-based assay design.
- Operational Value: Delivers quantitative BOLD signal measurements enabling comparison of stimulation conditions and network responses.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by mapping functional connectivity in intact living brains across healthy and diseased states.
- Operational Value: Facilitates continuity from discovery through preclinical validation via non-invasive, repeatable imaging of neuronal activity.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery biology by enabling hypothesis testing of circuit function, into screening via assay-ready quantitative outputs, and into translational research through disease-relevant connectomic mapping.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking of neural targets.
- Screening: Provides assay standardization, reproducibility, and quantitative BOLD readouts for compound evaluation.
- Analytics: Yields hemodynamic response function data and activation maps to compare circuit engagement across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity via whole-brain monitoring in disease models.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable platform for circuit-based target validation across neuroscience discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in circuit-based hypotheses.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of circuit-specific brain activation mapping.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in neuropsychiatric programs.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on circuit-level target engagement.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroscience, optogenetics, and MRI physics for surgical implantation and image acquisition.
- Needs high-field MRI scanner, laser light source, fiberoptic implants, and physiological monitoring systems.
- Demands cross-team standardization for surgical protocols, light delivery parameters, and imaging sequences.
- Involves adaptation considerations across species, brain regions, and opsin expression systems.
- Includes practical limitations such as surgical invasiveness, light scattering in tissue, and hemodynamic signal interpretation complexity.
