גירוי מוחי עמוק עם fMRI סימולטני במכרסמים
15 בפברואר 2014
פרוטוקול זה מתאר שיטה סטנדרטית להדמיה תפקודית בתהודה המגנטית בו זמנית וגירוי מוחי עמוק במכרסמים. השימוש בשילוב של כלים ניסיוניים האמורים, מאפשר החקירה של פעילות במורד הזרם העולמית בתגובה לגירוי חשמלי בכמעט כל יעד במוח.
היי, אני ג'ון יא.ואני דן אלבה. היום נדגים MRI תפקודי. גירוי מוחי עמוק בו זמנית בחולדה.
אנו יכולים להשתמש בשיטה הזו כדי למפות תגובות תפקודיות ברחבי המוח לגירוי מוחי עמוק במגוון מטרות. הליך זה כולל השתלת אלקטרודות סטריאוטקטיות, רכישת FMRI, ניתוח של תגובות תפקודיות. השלב הראשון הוא השתלת אלקטרודות.
נשתיל אלקטרודה באופן חד צדדי בגרעין התת-תלמי. נתחיל בהרדמה מלאה של בעל החיים ומעקב אחר פרמטרים פיזיולוגיים, כולל חמצון וטמפרטורת הגוף לאורך כל ההליך. התחל להכין את אתר הניתוח על ידי הסרת שיער והצמד את החיה למסגרת סטריאוטקטית.
השתמש במשחה כדי לשמן את עיני החיה במהלך ההליך. מרחו חומר חיטוי על האתר ומרחו וילונות על השדה המעוקר. להשלמת הכנת אתר הניתוח.
הסר את העור והפאשיה מעל הגולגולת, וודא שבגמה ולמבדה נחשפים. השתמש באזמל כדי לחספס את משטח הגולגולת כדי לשפר את הצמדת המלט בהמשך ההליך. והשתמש בכותנה סטרילית בצריבה חשמלית להמוסטזיס על פני העצם ושימוש ברקמות חתוכות.
השתמש במחט המחוברת לזרוע הסטריאוטקטית כדי לגעת במיקום המדויק של bgma כהתייחסות למיקום הגולגולת וסמן את המיקום על הגולגולת עם המחט לגרעין התת-תלמי. זה יהיה טורמה אחורית של 3.6 מילימטרים ורוחב של 2.5 מילימטרים מקו האמצע. השתמש במקדחה קטנה כדי ליצור חור קטן בגולגולת לנקות ולבדוק את שולי החור.
השתמש במחט קטנה כדי להפריע ביסודיות למשטח הדוראלי ולנקות כל דימום נוסף או דליפה של נוזל עמוד השדרה המוחי. כעת נניח בורג תואם MRI בגולגולת לעיגון. קדחו חור בגולגולת הנגדית והאחורית למיקום האלקטרודה העתידי.
הנח את הבורג עמוק מספיק כדי להיות מאובטח, אך מבלי ללחוץ על הדורה או קליפת המוח, אנו משתמשים במיקרו אלקטרודה טונגסטן דו-ערוצית תוצרת בית תואמת MRI לגירוי. בדוק את האלקטרודה כדי לוודא שהיא ישרה והמוליכים אינם מפוצלים. הנח את האלקטרודה על הזרוע הסטריאוטקטית במצב אנכי וגע בקצה ל-bgma.
הזיזו את האלקטרודה למיקום של אזור המטרה במוח באמצעות המסגרת הסטריאוטקטית למדידה וגעו במשטח קליפת המוח. הורד את האלקטרודה באמצעות המסגרת הסטריאוטקטית למדידה. ודא שאין כיפוף באלקטרודה.
במהלך תהליך זה, הניחו תחילה שכבה ראשונית של מלט, והבטיחו שירות גולגולת יבש. לאחר שהשכבה הראשונה יבשה, כופפו את האלקטרודה לאחור ואז מרחו מלט נוסף כדי להגביר את היציבות. הניחו למלט להתייבש לחלוטין לפני הסרת בעלי החיים.
כעת ניתן להחיות את החיה או להכין אותה מיד לסריקת MRI תפקודית. השלב השני הוא הכנת החיה לרכישת FMRI ו-FMRI. זה עשוי להתבצע מיד לאחר הניתוח או מספר ימים לאחר מכן.
יש להשתמש בכיסוי ראש כדי לשתק לחלוטין את ראש החיה ביחס לסליל. החיה צריכה להיות אנדוטרכאלית, אינטובציה ומאווררת. ניתן להשתמש במגוון חומרי הרדמה.
אנו משתמשים ב-dme, toine ו-combin עם איזוף במינון נמוך. יש לבצע שיתוק פלואור באמצעות גיאומטריית כובע רכישת פנטוניום ליד צומת צינור האוורור עם הצינור האנדוטרכיאלי. התאם את הגדרות מכונת ההנשמה כדי לייצב את ה-TAL CO2 הסופי.
בטווח הנורמלי, בדרך כלל יש לעקוב אחר טמפרטורות קרובות ל-3% באמצעות בדיקה רקטלית קבועה לבסיס הזנב. יש להתאים אמבט מים חמים במחזור כדי לייצב את טמפרטורת הגוף בטווח הנורמלי. אוקסימטריית דופק עשויה להיות נרכשת גם באזור כף הרגל האחורית, ולהניח משחת שיניים על האזור המיועד לסריקה כדי לשפר את איכות התמונה.
הניחו סליל משטח ישירות מעל אזורי המוח לסריקה. אבטח את הסליל בחוזקה לכיסוי הראש והמחזיק. חבר את מערכת הגירוי למחבר האלקטרודה ואבטח את המוליכים במקומם.
כסו את החיה לבידוד משופר בסביבה הקרירה של המגנט. עכשיו הגיע הזמן להכניס את החיה למרכז המגנט. השתמש בתמונת סקאוט S רגילה למיקום מדויק של החיה בתוך הסורק באופן גלובלי.
שים בהתייחס למשטח קליפת המוח כדי לשפר את ההומוגניות של השדה המגנטי. לאחר מכן השתמשו ב-FMAP כדי לבחון באופן מקומי את אזורי המוח שישמשו לסריקות תפקודיות. רכוש פרוסה אחת של T עם שתי משוקללות במישור סגיטלי אמצעי.
צור מעבר צבע של צילום בודד. סריקת Echo EPI בגודל מטריצה של 96 על 96, שדה ראייה של 2.56 על 2.56 סנטימטרים. זמן חזרה של 1000 מילישניות, זמן הד של 14 מילישניות ורוחב פרוסה של מילימטר אחד עם ארבע סריקות דמה ואחריהן 70 חזרות.
כל סריקה עם פרמטרים אלה צריכה להימשך שנייה אחת. למשך זמן סריקה כולל של 70 שניות, יישר את סריקת ה-EPI הזו לקומיסורה הקדמית של התמונה הקודמת של T two sagittal לעקביות גיאומטרית בין הנבדקים, הגדר גירוי, תדר, רוחב דופק ופרדיגמת גירוי, וסנכרן את הגירויים המופעלים ליציאות ה-RF מרצף הסריקה. כאן אנו משתמשים בתדר של 130 הרץ רוחב פולס של 90 מיקרו-שניות ובפרדיגמת גירוי של 60 שניות מנוחה, לאחר מכן 30 שניות של גירוי, ולבסוף 120 שניות מנוחה.
לאחר מכן הגדר את סוג זרם הגירוי, כולל משרעת הזרם הרצויה וריצת פלט הזרם הדו-קוטבי. סריקת ה-EPI מבטיחה שהגירוי מופעל כראוי לאחר בדיקת הרכישה כדי להבטיח תגובה חזקה באמצעות כלי ניתוח הנתונים המתוארים בסעיף הבא. אם זה לא קורה, בדוק את חיבורי הממריץ.
לאחר כל הסריקות הנדרשות, יש להפעיל סריקות אנטומיות כדי למדוד את מיקום האלקטרודה המשוער ולהבטיח את מיקום האלקטרודה בתוך המטרה המיועדת. לאחר מכן, ניתן להחיות את החולדה ולשמר אותה לניסויים נוספים. לבסוף, לאחר ביצוע כל הניסויים הדרושים, החיה עשויה לעבור המתת חסד במוח עם פורמלין.
עם הסרת דרכי האלקטרודה, ניתן להסתיר רזולוציה T ניתן לבצע שתי סריקות משוקללות כדי לזהות את דרכי האלקטרודה ואת הקשר שלה למבנים סמוכים. במקרה זה, מערכת האלקטרודה מסתיימת רק בגחון לקפסולה הפנימית בגרעין התת-תלמי ומאשרת את דיוק ההשתלה. לאחר מכן, נעבד וננתח את תוצאות הסריקות הפונקציונליות שלנו.
לשם כך, נשתמש בתוכנית כתובה מותאמת אישית הפועלת בתוך matlab, אם כי ניתן להשתמש בחבילות תוכנה אחרות לניתוח FMRI באופן דומה ב-matlab. השתמש בקודי SPM כדי להחיל גוף קשיח על כל ניסויי הגירוי. לאחר מכן צור קטע ממוצע של תמונות, תוך שימור מהלך הזמן של הסריקות, בצע הפשטת גולגולת באופן ידני לאחר החלת סף חיתוך.
כעת נייצר מפות מקדמי מתאם עבור אזורי המוח המעניינים. הפחתת רעש עשויה להתבצע באמצעות גודל אשכול מינימלי או החלקה של שלושה על שלושה מעברים נמוכים. יש להזין את פרדיגמת הגירוי וניתן להגדיר עיכוב פרדיגמה קצר כדי להסביר את העיכוב ההמודינמי.
עבור כל ווקסל, ניתן לחשב את מקדם המתאם של שינוי עוצמת האות לאורך זמן ביחס לפרדיגמת הגירוי. ניתן למפות זאת על כל פרוסה כדי לזהות אזורים נוירו-אנטומיים שבהם תגובת הכדור קשורה מאוד לפרוטוקול הניסוי. אזורי עניין עשויים להיות מוגדרים באופן ידני או להשתמש במצולע כקירוב.
לאחר מכן ניתן לקבוע את אחוז שינוי האות באזור עניין זה באמצעות האות לפני הגירוי כקו בסיס. לאחר מכן ניתן לייצא ערכים אלה לניתוח סטטיסטי. כאן ביצענו גירוי מוחי עמוק בגרעין התת-תלמי והתגובות במפת מקדמי המתאם שלנו נמצאות באזורים במוח המרוחקים מהגרעין הזה.
כאן אנו רואים אזורים חיוביים, מודגשים וקליפת המוח הקדמיים למיקום הגירוי בפרוסה האחורית ביותר. החפץ מהאלקטרודה המגרה נראה כאשר השינוי בעוצמת האות המודגש לאורך זמן מחושב עבור אזור קליפת המוח של הדגימה. התוצאה מוצגת על המסך עם פרדיגמת הגירוי המוצגת כאן על ידי פס צהוב.
זה עשוי לשמש לכימות התגובה הנועזת ולניתוח נוסף, זה עתה הדגמנו גירוי מוחי עמוק עם MRI תפקודי בו זמנית במודל מכרסמים. תודה על הצפייה ובהצלחה בניסויים שלך.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מתאר שיטה לביצוע דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) וגירוי עמוק של המוח בו-זמנית במכרסמים. טכניקה זו מאפשרת מיפוי של תגובות מוחיות לגירוי חשמלי במגוון יעדים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- דימות עצבי
- אלקטרופיזיולוגיה
רקע
- MRI תפקודי מספק תובנות לגבי פעילות המוח.
- גירוי מוחי עמוק משמש לוויסות פעילות נוירונלית.
- שילוב של טכניקות אלו מאפשר ניתוח מקיף.
- שיטה זו ישימה במודלים של מכרסמים לצורכי מחקר.
מטרת המחקר
- לבחון את הפעילות הגלובלית של המוח בתגובה לגירוי.
- להעריך את ההשפעות של גרייה עמוקה של המוח ביעדים שונים.
- להגביר את ההבנה של תפקודי המוח והקישוריות בינו.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- השתלה סטריאוטקטיות של אלקטרודות
- רכישת תצלומי MRI תפקודי
- ניתוח תגובות תפקודיות
- מיפוי של פעילות מוחית
תוצאות עיקריות
- זיהוי אזורי מוח שהופעלו על ידי הגירוי.
- אפיון של שינויים בקישוריות התפקודית.
- תובנות לגבי הדינמיקה של דפוסי תגובת המוח.
- יישומים פוטנציאליים בהבנת הפרעות נוירולוגיות.
מסקנות
- שיטה זו מספקת כלי רב-עוצמה למחקר במדעי המוח.
- היא מאפשרת חקירה של תפקודי המוח בזמן אמת.
- מחקרים עתידיים יוכלו להתבסס על גישה זו כדי להגיע לתובנות עמוקות יותר.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שילוב סימולטני של גרייה עמוקה של המוח (DBS) ו-fMRI במכרסמים מאפשר מיפוי מדויק של מודולציה של מעגלים עצביים, ובכך תומך בתיקוף יעדים ובצמצום סיכונים מכניסטיים בפיתוח טיפולי נוירומודולציה. גישה זו מספקת קריאות כמותיות של המוח כולו, המגבירות את הביטחון החזוי במחקרי DBS פרה-קליניים על ידי קישור פרמטרי הגרייה לתגובות של רשתות תפקודיות. היא נותנת מענה לפער קריטי בתרגום נתוני גרייה פרה-קליניים לעיצוב ניסויים קליניים, באמצעות אספקת תובנות לא מוטות ברמת המערכת לגבי השפעות עצביות במורד הזרם.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות על ידי מיפוי של תגובות עצביות במורד הזרם (downstream) לעירור במטרות ספציפיות, כגון הגרעין הסוב-תאלמי (subthalamic nucleus).
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות קריאות פונקציונליות של המוח השלם, המבהירות את מעורבות המסלולים ואת ההשפעות חוץ-מטרתיות (off-target effects).
- ערך ניבוי: מגביר את הביטחון במטרה על ידי קורלציה בין פרמטרי העירור לבין תגובות BOLD מדידות במעגלים הרלוונטיים למחלה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מוכנות הבדיקה: הכנה של מעגלים עצביים שעברו תיקוף להערכת תרכובות, באמצעות קביעת קישוריות תפקודית בבסיס (baseline) ופרופילי תגובה המעוררים על ידי גרייה.
- פלט כמותי: יצירת מדידות של שינוי באחוז האות ברמה של ווקסל (voxel), הניתנות לשחזור ומאפשרות אופטימיזציה של תגובת מינון ושל פרמטרי הגרייה.
- שימוש חוזר בפלטפורמה: ביסוס של זרימת עבודה סטנדרטית להערכת השפעות נוירומודולטוריות על מספר יעדים במוח, התומכת במערכי סריקה ניתנים להרחבה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלה: מדמה מטרות DBS אנושיות כגון STN עבור מחלת הפרקינסון, ומאפשר הערכה פרה-קלינית של יעילות הגירוי ושל מודולציה של הרשת.
- המשכיות תרגומית: מגשר בין שלבי הגילוי והשלבים הפרה-קליניים על ידי אספקת ביומרקרים של דימות למעורבות המטרה ולשינויים בקישוריות התפקודית.
- קידום מותאם סיכון: מסייע בקבלת החלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) על ידי כימות העקביות והספציפיות של תגובות עצביות על פני פאראדיגמות גירוי שונות.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד (Pipeline)
שיטה זו משתלבת בזרימת העבודה של הגילוי על ידי אפשור חקירה של מעגלים המונחית-השערה בשלב מוקדם של תיקוף מטרות, התקדמות לעידון המסה לצורך סריקה, ותמיכה בתיקוף פרה-קליני באמצעות קריאות תפקודיות הניתנות לשחזור.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת היפותזות ובבירור נתיבים על ידי מיפוי פעילות מוחית המושרה על ידי גרייה באזורים מקושרים.
- סריקה: מאפשרת סטנדרטיזציה של בדיקות באמצעות מיקום קבוע של אלקטרודות, פרדיגמות גרייה וניתוח כמותי של אות BOLD.
- אנליטיקה: מספקת מפות של מקדמי מתאם ומדדי אחוז שינוי באות, המאפשרים השוואה בין תנאים שונים והערכה סטטיסטית של מודולציית הרשת.
- מחקר תרגומי: מקשרת לתיקוף פרה-קלני על ידי זיהוי רשתות המגיבות לגרייה, התואמות מעגלים טיפוליים ידועים במודלים של מחלות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמת דימיון עצבי הניתנת לשימוש חוזר להערכת יעדי נוירומודולציה שונים ופרמטרי גרייה לאורך פרויקטים מרובים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מספק ביטחון חיזוי במודולציה של המטרה על ידי צמצום עמימות מכניסטית באמצעות מיפוי תפקודי של המוח השלם.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות פרוטוקולי הרדמה סטנדרטיים, ניטור פיזיולוגי ותכנון אלקטרודות הממזער ארטיפקטים.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך הפרויקט (go/no-go) על ידי קישור פרמטרי גרייה לתגובות רשתיות כמותיות, ובכך מפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של מטרות נוירומודולציה מותאם סיכון, המבוסס על קישוריות תפקודית מתיקה וספציפיות של התגובה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בניתוחים סטריאוטקטיים, בפיזיקה של MRI ובאלקטרופיזיולוגיה כדי להבטיח מיקום מדויק של האלקטרודות ובקרת ארטיפקטים.
- תלוי בחומרת גירוי תואמת MRI, במערכות ניטור פיזיולוגיות ובמסלולי ניתוח תמונות מותאמים אישית.
- מחייב סטנדרטיזציה חוצת-צוותים של פרדיגמות גירוי, תערובות הרדמה ושמירה על פרמטרים פיזיולוגיים בין אתרים שונים.
- כולל שיקולי התאמה ליעדים מוחיים שונים, הדורשים כיול מחדש של קואורדינטות סטריאוטקטיות ותיקוף של מיקום האלקטרודות.
- כולל מגבלות מעשיות כגון ארטיפקטים שיוריים המושרים על ידי האלקטרודות והשפעות של חומרי הרדמה על הצימוד הנוירו-וסקולרי, אשר יש להביאם בחשבון בפירוש הנתונים.
