Development of an Uncomplicated Mild Traumatic Brain Injury Model Modified by Weight-Drop Method and Evidenced by Magnetic Resonance Imaging

Pin-Hui Kuo; Tzu-Hsuan Tang; Shu-Hui Huang; Bao-Yu Hsieh; Chia-Feng Lu; Yu-Chieh Jill Kao

doi:10.3791/67011

פיתוח מודל פגיעה מוחית טראומטית קלה לא מסובך ששונה בשיטת ירידה במשקל והוכח על ידי הדמיית תהודה מג...

JoVE Journal
Neuroscience

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Journal Neuroscience

Development of an Uncomplicated Mild Traumatic Brain Injury Model Modified by Weight-Drop Method and Evidenced by Magnetic Resonance Imaging

פיתוח מודל פגיעה מוחית טראומטית קלה לא מסובך ששונה בשיטת ירידה במשקל והוכח על ידי הדמיית תהודה מגנטית

Full Text

928 Views

08:27 min

April 11, 2025

DOI: 10.3791/67011-v

Pin-Hui Kuo¹, Tzu-Hsuan Tang¹, Shu-Hui Huang¹, Bao-Yu Hsieh^2,3, Chia-Feng Lu¹, Yu-Chieh Jill Kao¹

¹Department of Biomedical Imaging and Radiological Sciences,National Yang Ming Chiao Tung University, ²Department of Medical Imaging and Radiological Sciences, College of Medicine,Chang Gung University, ³Department of Medical Imaging and Intervention,Chang Gung Memorial Hospital at Linkou

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a protocol for creating a closed-head injury animal model that accurately replicates the neuroimaging outcomes of uncomplicated mild traumatic brain injury (mTBI). The model maintains brain structure in the acute phase, while demonstrating long-term brain atrophy, and utilizes longitudinal magnetic resonance imaging (MRI) as the primary assessment tool.

Key Study Components

Area of Science

Neuroscience
Traumatic Brain Injury
Animal Models

Background

Understanding the progression of uncomplicated mild traumatic brain injury (mTBI) is crucial, especially in pediatric and adolescent populations.
The study aims to connect cross-sectional human studies with animal pathology to provide insights into mTBI progression.
The research focuses on assessing different impact parameters to analyze their effects on outcome measures.

Purpose of Study

To establish a robust animal model that accurately mimics the neuroimaging findings associated with mTBI.
To investigate the influence of various impact parameters on behavioral, imaging, and pathological outcomes post-injury.
To facilitate longitudinal neuroimaging assessments in understanding mTBI's long-term effects.

Methods Used

The protocol employs a closed-head injury model using rats.
This involves precise stereotaxic surgery to deliver controlled impacts, followed by MRI for imaging analysis.
Key steps include anesthesia, skull preparation, impact delivery, and subsequent imaging at defined time points.
Behavioral assessments are performed post-injury to evaluate recovery and deficits.

Main Results

Longitudinal MRI revealed no immediate structural brain damage, but significant cortical volume reduction was observed at later time points.
Repetitive closed-head injury led to greater cortical loss compared to a single event.
Astrocyte accumulation was noted despite the severity of the injury and impact site.

Conclusions

The study successfully establishes a model for investigating the effects of mild traumatic brain injuries, enhancing our understanding of mTBI progression.
This model allows for future studies exploring the complexities of injury parameters and their implications for treatment and rehabilitation.
Overall, the findings underscore the critical importance of injury dynamics in shaping neurological outcomes.

Frequently Asked Questions

What are the advantages of this animal model?

This model effectively replicates mTBI neuroimaging outcomes and allows for the exploration of recovery dynamics over time.

How is the closed-head injury implemented in the rat model?

The closed-head injury involves precise surgical techniques and controlled impact administration using a weight drop system to induce brain injury while minimizing acute damage.

What types of data are obtained from this study?

The study provides neuroimaging data via MRI, behavioral changes assessments, and pathological analysis including astrocyte accumulation and cortical volume measurements.

How can this method be adapted for other types of injury research?

The surgical and imaging protocols can be modified to evaluate various forms of brain injuries, making this model versatile for different neurological conditions.

What are the key limitations of this closed-head injury model?

Limitations may include variations in individual animal responses to injury and the necessity for careful control over impact parameters to ensure reproducibility.

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להקמת מודל של בעלי חיים עם פגיעת ראש סגורה המשחזר את תוצאת הדימוי העצבי של פגיעה מוחית טראומטית קלה לא מסובכת עם מבנה המוח השמור בשלב החריף וניוון מוחי ארוך טווח. הדמיית תהודה מגנטית אורכית היא השיטה העיקרית המשמשת לראיות.

המחקר שלנו מתמקד בפיתוח מודל של בעלי חיים עם פגיעת ראש סגורה שמחקה תוצאות של הדמיה מוחית של פגיעה מוחית טראומטית קלה ולא מסובכת. אנו מסיימים כדי לקבוע אם פרמטרי השפעה שונים ב-RmTBI מובילים לשינויים מובהקים בהדמיה, התנהגות ופתולוגית. פיתחנו מודל של בעלי חיים המשחזר את השינויים הרדיולוגיים של mTBI לא מסובך, ומדגים ליקויים התנהגותיים משמעותיים וניוון מוחי ארוך טווח.

עבודה זו מחברת בין מחקרי חתך בבני אדם למחקר פתולוגיה של בעלי חיים, ומספקת תרגום והערכת הדמיה מוחית אורכית כדי להבין טוב יותר את התקדמות ה-mTBI. התוצאות שלנו פותחות אפיקים חדשים לחקירת התקדמות המחלה ושינויים בתוצאות לאחר mTBI לא מסובך. הם גם מדגישים את התפקיד המכריע של פרמטרי פציעה בעיצוב תוצאות לאחר פציעה.

המעבדה שלנו מתמקדת ב-mTBI בילדים ובמתבגרים, קבוצת המטופלים הגדולה ביותר. ניישם את מודל ה-CHI הנוח שלנו כדי לחקור פגיעה מוחית התפתחותית ולעקוב אחר שינויים ארוכי טווח באמצעות MRI, הערכות התנהגותיות ונוירופתולוגיות. כדי להתחיל, הניחו את החולדה המורדמת על כרית חימום ואבטחו אותה במסגרת הסטריאוטקסית באמצעות מוט שיניים.

מקם את מוטות האוזניים כדי לייצב את הראש. ודא שהחולדה מרוכזת וסימטרית במסגרת הסטריאוטקסית. כעת, חבר את החיישן של אוקסימטר הדופק לכפה האחורית כדי לעקוב אחר קצב הנשימה, קצב הלב, רמת החמצן בדם וטמפרטורת הגוף.

מרחו קרם להסרת שיער על הראש לאחר שלוש דקות, נגבו את הקרם בעזרת ספוגיות אלכוהול איזופרופיל 70%. נקו את האזור המגולח מספר פעמים באמצעות צמר גפן סטרילי ספוג ביוד. לאחר מכן, הסר את שאריות היוד בעזרת צמר גפן ספוג באתנול 70%.

בעזרת להב כירורגי סטרילי, צור חתך בקו האמצע באורך של כ-2 עד 2.5 סנטימטרים כדי לגשת למשטח הגולגולת. לאחר מכן, הסר את הרקמה הרכה מהגולגולת באמצעות כרית כותנה. נקו את משטח הגולגולת בעזרת צמר גפן ספוג במי מלח של 0.9%, ולאחר מכן כרית כותנה יבשה.

כעת, זהה את הברגמה כנקודת הייחוס לקביעת אזור הפגיעה. לאחר זיהוי הקואורדינטות הרצויות, מלטו קסדת נירוסטה עגולה על האזור המיועד באמצעות צמנט דנטלי. לאחר מכן, הסר את כרית החימום ואת אוקסימטר הדופק.

העבר את המכשיר הסטריאוטקטי ואת החולדה על שולחן ההרמה מתחת לפגיעה הסגורה בפגיעת הראש. הרם את גוף החולדה באמצעות ספוג קצף. הסר את החולדה ממוטות האוזניים תוך שמירה על אבטחתה על מוט השן המחובר לקונוס האף המספק 2% איזופלואור.

ודא שהראש והגוף של החולדה מפולסים בכיוון הרוסטרו-קאודלי. כוונן את שולחן ההרמה כדי להבטיח שאין פער בין פגיעת ה-CHI לקסדה. לאחר מכן, כבה את האיזופלורן מיד לפני הפגיעה.

כעת, הורד משקולת פליז של 600 גרם מגובה של מטר אחד דרך צינור נירוסטה לפגיעה המאובטחת עם קצה עגול, המכוון אל קסדת המתכת. לאחר המכה, הורד את שולחן ההרמה. הסר את החולדה מהמסגרת הסטריאוטקסית והנח אותה במצב שכיבה על כרית חימום.

רשום את זמן רפלקס היישור, שהוא הזמן בו החולדה מנסה לעבור ממצב שכיבה למצב שכיבה. כעת, גייסו מחדש את החולדה במסגרת הסטריאוטקסית. הסר את הקסדה ונקה את כל רקמת החיבור לפני הדבקה משטח הגולגולת.

כעת, כסו את הגולגולת במלט דנטלי והניחו לה להתייבש. בעזרת גב פינצטה, בדוק שהמלט נוקשה וקשה. לאחר מכן, סגור את החתך באמצעות תפרי ניילון כירורגיים 4o עם ארבעה עד חמישה קשרים עצמאיים ומרח אנטיביוטיקה מקומית על אתר הניתוח כדי למנוע זיהומים.

הזריק מיליליטר אחד לק"ג משקל גוף של קרפרופן תת עורי לצוואר כמשכך כאבים לאחר הניתוח. הניחו את החולדה בכלוב נקי על כרית חימום עד שהיא חוזרת להכרה. ברגע שהחולדה יושבת זקופה, החזירו אותה לכלוב הביתי.

יש לתת דרך הפה חמישה מיליליטר של אצטמינופן מעורבב ב-200 מיליליטר מים מדי יום במשך שלושה ימים רצופים כמשכך כאבים. מקם את החולדה המורדמת במחזיק הראש וחבר לקונוס אף לתחזוקת ההרדמה. קבע את הראש בעזרת פיסת סרט קטנה כדי למנוע תנועה במהלך הסריקה.

לאחר מכן, הנח כרית לחץ מתחת לבית החזה כדי לנטר את הנשימה. הכנס את האלקטרודות והדביק את תפסי האוקסימטר לגפה האחורית כדי לבדוק את הדופק. הכנס את הגשושית הרקטלית כדי למדוד את טמפרטורת פי הטבעת.

כסו את החולדה בשמיכת חימום במים חמים במחזור ועטיפת טישו כדי לשמור על טמפרטורת הגוף במהלך הניסוי. השתמש במערכת מיקום הלייזר של סורק PET MR כדי לסמן את מרכז הראש ליישור מדויק. העבר את החולדה לתוך קדח ה-MRI באמצעות מערכת הובלת בעלי חיים ממונעת עד שמרכז הראש מתיישר עם האיזוסנטר של הסורק.

לבסוף, השיגו את תמונות ה-MRI ונתחו אותן. לא נצפה שבר משמעותי בגולגולת, חבלה מוחית, בצקת בחומר לבן או עיוות בתמונות משוקללות T2 ובמפות אניזוטרופיה חלקיות ביום אחד ו-50 יום לאחר CHI, מה שמאשר נזק מבני מינימלי במודל CHI. ירידה משמעותית בנפח קליפת המוח נצפתה 50 יום לאחר CHI, ו-CHI חוזר הביא לאובדן קליפת המוח גדול יותר בהשוואה ל-CHI בודד.

ההפחתה המשמעותית ביותר בנפח קליפת המוח נצפתה בפרוסות בברגמה מינוס ארבע עד פלוס אפס וברגמה מינוס חמש עד פלוס אחד לאחר CHI חוזר עם פרמטרי השפעה שונים. נפח קליפת המוח קטן משמעותית נצפה בברגמה אפס לאחר CHI מרכזי במוח בהשוואה ל-SMCx CHI. צביעה חיסונית ביום ה-50 לאחר הפגיעה הדגימה הצטברות אסטרוציטים ב-SMCx האיפסילסיונלי, ללא קשר לחומרת ה-CHI ואתר הפגיעה.

View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos