方法論記事

げっ歯類での同時のfMRIと脳深部刺激

DOI：

10.3791/51271

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2014年2月15日

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1Department of Neurology, University of North Carolina, 2Biomedical Research Imaging Center, University of North Carolina, 3Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina, 4Curriculum in Neurobiology, University of North Carolina, 5School of Medicine, University of North Carolina

この記事について

サマリー

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このプロトコルは、齧歯類における同時機能的磁気共鳴画像法及び深部脳刺激のための標準的な方法を記載している。これらの実験のツールを併用することは事実上すべての脳のターゲットに電気的刺激に反応して世界的な下流の活動の探査が可能になります。

要約

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様々なターゲットに深部脳刺激（DBS）、グローバルおよび下流のニューロンの応答を可視化するために、我々は、血中酸素レベル依存（BOLD）、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）の同​​時DBSの画像げっ歯類にを使用するためのプロトコルを開発した。 DBSのfMRIは、電極注入の精度、電極によって作成されたMRアーチファクト、同時に動物の動きを排除し、任意のニューロンの影響を最小限に抑える麻酔および麻痺の選択、及び生理学的パラメータの維持を含む多くの技術的課題、交絡可能な偏差を示すBOLD信号。私たちの研究室では、これらの潜在的な問題のほとんどを解決することのできる一連の手順を開発しました。電気刺激のために、自家製のタングステンバイポーラ微小電極は、麻酔をかけた被験者において刺激部位に定位的に挿入され、使用されています。撮影準備のために、げっ歯類、プラスチックヘッドピースに固定されている磁石ボアに転送される。スキャン中の鎮静や麻痺のために、デクスメデトミジンおよびパンクロニウムのカクテルは、イソフルランの最小量と一緒に、継続的に注入される。この準備には、揮発性麻酔薬のBOLD天井効果を最小限に抑えます。この実験例では、視床下核（STN）の刺激は、運動野を中心に、同側皮質領域で主に観察されたBOLD応答を生成します。同時DBSとfMRIのは、刺激の位置と刺激パラメータに関する神経回路の明確な変調に依存でき、地域の偏りのない、神経変調の観察が可能。この技術は、実験的および臨床的DBSの双方に影響して、ほぼすべての脳領域において神経回路を調節する下流の効果を探索するために使用することができる。

概要

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神経回路活動のグローバルな下流の効果を決定することは、システム神経科学の多くの分野の大きな課題と目標を表しています。ツールの不足は、このニーズを満たすことが現在利用可能であるので、適当な実験装置のアクセシビリティの向上が求められている。神経回路の活性化のグローバル結果を評価するためのこのような方法の一つは、脳深部電気刺激（DBS）の同時適用および機能的MRI（fMRIの）に依存している。 DBS-fMRIの空間は、大規模での回路活性化の下流応答の検出を可能にし、実質的に任意の刺激の標的に適用することができる。このツールセットは、治療の高頻度刺激に対する応答の特性評価を含め、翻訳前臨床試験のために非常に適している。

適切なMRIスキャナへのアクセスに加えて、成功したDBS-fMRIの実験はヴァリアブルの数を考慮する必要電極の種類、鎮静法、生理学的パラメータの維持を含むエス。例えば、電極の選択は刺激効力（ 例えばリードサイズとコンダクタンス、モノ対バイポーラ）のほか、MR互換性と電極アーティファクトサイズに関する要因に基づいている必要があります。電極アーチファクトは、電極材料およびサイズ​​、ならびに使用されるスキャン順序に応じて変化し、事前に十分な実験的試験は、各試験に適した電極タイプを決定するために使用されるべきである。一般的には、タングステンマイクロワイヤ電極は、このプロトコルをお勧めします。麻痺や鎮静の選択は、効果的に動物を固定化し、血液酸素レベル依存（....

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プロトコル

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倫理声明：この手順では、動物実験（実験動物の管理と使用に関する指針）のための健康ガイドラインの国立研究所に従っているとノースカロライナ機関動物実験委員会の大学によって承認されています。

1。電極注入

最初のステップは、電極移植である。この工程では、電極は一方的に視床下核（STN）、次の方法を使用してパーキンソン病を治療するための並進意義を有する小核内に注入される。

  1. すべてのオートクレーブを用いて、手術機器、オートクレーブ滅菌が可能ではない消毒液（電極無菌性のためなど ） を殺菌する注 ：これは短期的な生存の手術であるため、無菌技術が不可欠です。手術後、動物は簡単な回復期間（48時間）の後、または数週間後まで画像化することができる。
  2. 気管内挿管や小動物人工呼吸器を介して投与2.5％イソフルランを用いてラット（成体SDラット250〜400グラム）を麻酔。定位手術用フレームにラットを固定し、無菌技術を使用して、手術部位を準備します。
  3. 準備し、電極が無菌であることを確認してください。多くのMRI適合性電極の種類が機能するのに自家製の2チャンネルタングステンマイクロワイヤ電極は、この手順のために使用されます。使用される電極の種類は、全体的な実験結果に影響を与え、機械的手順によって損傷を受けた組織の領域、刺激....

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結果

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代表的な機能のデータは右側の視床下核に注入された刺激電極を持つ単一のラットにおける上記プロトコルに従って取得した。 DBS fMRIの画像取得のために必須のセットアップの説明図を図1に提供される。刺激は、0.3ミリアンペア、130 Hzおよび0.09ミリ秒のパルス幅の周波数の振幅と、上記のプロトコルと一致し塗布した。同側運動皮質の強い活性化が一貫して刺激対象の視床下核でこのプロトコルを用いて可視化されている。方形波刺激パターンと、BOLD信号は、刺激期間と相関時間経過とともにベースライン（無刺激条件）に対して変調されることが予想される。ここで、正のBOLD応答が考慮αを取って、予想脳領域（ 図2）及び刺激パラダイムによく相関してON / OFFのパターンで観察される簡単な血行動態の遅延（ 図3）。マップ（ 図2）から、オーバーレイ神経解剖学的ア ​​トラス1は、個々の脳領域においてBOLD効果を比較するために、目的の正確な領域を定義するために使用されてもよい。関心領域は、任意の脳の.......

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ディスカッション

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同時DBSとfMRIのは、 生体内で神経回路の刺激に対するグローバル下流応答の同定および特徴のための有望な実験的なツールキットを表します。このような電気生理学的記録のような他の利用可能なツール、上のこの技術の主な利点は、脳組織の大規模で多様な領域を任意のターゲットでDBSに対する応答性を調べることができるのfMRIの比較的公平な自然の中にあります。記載されているプロトコルは、ラットにおいてDBS-fMRIのために固有のものですが、DBS応答の神経画像にも成功豚6を含む他のモデル生物で行われている。

おそらく、この技術のための最も明白な用途は、特定の神経学的および精神医学的障害、 すなわちために治療的に適用されるように、DBSのモデル化である。パーキンソン病7-9。 subthのいずれかでのパーキンソン病患者において、高頻度刺激alamic核（STN）または内部淡蒼球（GPI）は、多くの運動症状10の緩和に効果的である。両方の標準的なモーターと大脳辺縁系の領域S6

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開示事項

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著者らは、開示することは何もありません。

謝辞

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私たちは、撮影の支援のためにShaili JhaにとヘザーDecotに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
イソフルラン(フォラン)バクスター1001936060
デクスメデトミジン(デキスドミトール)ファイザー145108-58-3
化パンクロニウムSelleckchemS2497
ステロタクチックフレームKopfモデル962
9.4T小動物MRIブルカーBioSpecシステム
動物用人工呼吸器CWE株式会社12-02100モデル SAR-830
歯科用セメントAMシステム525000TEETS 冷間硬化
MouseOx Plus システムSTARR Life Science Corp.
カプノメーターSurgivet, Smith MedicalV9004 Series
Stimulus IsolatorWorld Precision InstrumentsModel A365
MR-compatible Brass Screws McMasterCarr94070A0310-80 Thread size, 1/4 in.お好みの長さにカットできます。
タングステンワイヤーカリフォルニアファインワイヤーカンパニー100211MR互換の刺激微小電極
シリンジポンプハーバードアパルタスモデルPHD 2000(MRI互換性なし)
臭 BGA-9S勾配スモールを備えたの構築に使用されます

参考文献

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  1. Paxinos, G., Watson, C. The rat brain in stereotaxic coordinates, 5th edition. , Academic Press. (2004).
  2. Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. G. Effects of the alpha(2)-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular ....

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MRI BOLD MRI

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