Name: 前臨床研究における薬理学的チャレンジのfMRIの利用：5-HTシステムへの応用 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-04-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 27 s
Description: 学ぶ薬理学的MRIを用いた前臨床研究における5-HT神経伝達機能の評価法。フルオキセチン投与による脳血流動態応答の可視化と、侵襲性の低い翻訳研究への応用可能性を示す。

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この作品は、L. Renemanに授与科学研究費オランダ機構（NWO）（Veniない。916.86.125）によって賄われています。資金提供者は、研究デザイン、データ収集と分析、公開することを決定、または原稿の準備で何の役割もありませんでした。利害の衝突はありません。

<ol><li>Abramoff, M. D., Magelhaes, P. J., Ram, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image+Processing+with+ImageJ%5BTitle%5D)+AND+%22Biophotonics+International%22%5BJournal%5D)">Image Processing with ImageJ.</a> Biophotonics International. 11, 36-42 (2004).</li>
<li>Anderson, I. M., McKie, S., Elliott, R., Williams, S. R., Deakin, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+human+5-HT+function+in+vivo+with+pharmacoMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropharmacology%22%5BJournal%5D)">Assessing human 5-HT function in vivo with pharmacoMRI.</a> Neuropharmacology. 55, 1029-1037 (2008).</li>
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<li>Cohen, Z., Bonvento, G., Lacombe, P., Hamel, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Serotonin+in+the+regulation+of+brain+microcirculation%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Neurobiol%22%5BJournal%5D)">Serotonin in the regulation of brain microcirculation.</a> Prog. Neurobiol. 50, 335-362 (1996).</li>
<li>Ferrari, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+robust+experimental+protocol+for+pharmacological+fMRI+in+rats+and+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">A robust experimental protocol for pharmacological fMRI in rats and mice.</a> J. Neurosci. Methods. 204, 9-18 (2011).</li>
<li>Gozzi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+effects+of+antipsychotic+and+glutamatergic+agents+on+the+phMRI+response+to+phencyclidine%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychopharmacology%22%5BJournal%5D)">Differential effects of antipsychotic and glutamatergic agents on the phMRI response to phencyclidine.</a> Neuropsychopharmacology. 33, 1690-1703 (2008).</li>
<li>Houston, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+of+brain+activation+in+response+to+pharmacological+agents+using+fMRI+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson.+Imaging%22%5BJournal%5D)">Mapping of brain activation in response to pharmacological agents using fMRI in the rat.</a> Magn Reson. Imaging. 19, 905-919 (2001).</li>
<li>Jenkins, B. G., Sanchez-Pernaute, R., Brownell, A. L., Chen, Y. C., Isacson, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+dopamine+function+in+primates+using+pharmacologic+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Mapping dopamine function in primates using pharmacologic magnetic resonance imaging.</a> J. Neurosci. 24, 9553-9560 (2004).</li>
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<li>Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurophysiological+investigation+of+the+basis+of+the+fMRI+signal%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal.</a> Nature. 412, 150-157 (2001).</li>
<li>Martin, C., Sibson, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pharmacological+MRI+in+animal+models%3A+A+useful+tool+for+5-HT+research%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropharmacology%22%5BJournal%5D)">Pharmacological MRI in animal models: A useful tool for 5-HT research.</a> Neuropharmacology. 55, 1038-1047 (2008).</li>
<li>McKie, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+effects+of+acute+citalopram+detected+by+pharmacoMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Psychopharmacology+%28Berl%22%5BJournal%5D)">Neuronal effects of acute citalopram detected by pharmacoMRI.</a> Psychopharmacology (Berl. 180, 680-686 (2005).</li>
<li>Preece, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evidence+that+increased+5-HT+release+evokes+region-specific+effects+on+blood-oxygenation+level-dependent+functional+magnetic+resonance+imaging+responses+in+the+rat+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Evidence that increased 5-HT release evokes region-specific effects on blood-oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging responses in the rat brain.</a> Neuroscience. 159, 751-759 (2009).</li>
<li>Schwarz, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+stereotaxic+MRI+template+set+for+the+rat+brain+with+tissue+class+distribution+maps+and+co-registered+anatomical+atlas%3A+application+to+pharmacological+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">A stereotaxic MRI template set for the rat brain with tissue class distribution maps and co-registered anatomical atlas: application to pharmacological MRI.</a> Neuroimage. 32, 538-550 (2006).</li>
<li>Schwarz, A. J., Gozzi, A., Reese, T., Bifone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+mapping+of+functional+connectivity+in+neurotransmitter+systems+using+pharmacological+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">In vivo mapping of functional connectivity in neurotransmitter systems using pharmacological MRI.</a> NeuroImage. 34, 1627-1636 (2007).</li>
<li>Sekar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuroadaptive+responses+to+citalopram+in+rats+using+pharmacological+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Psychopharmacology+%28Berl%29%22%5BJournal%5D)">Neuroadaptive responses to citalopram in rats using pharmacological magnetic resonance imaging.</a> Psychopharmacology (Berl). 213, 521-531 (2011).</li>
<li>Smith, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+functional+and+structural+MR+image+analysis+and+implementation+as+FSL%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL.</a> NeuroImage. 23, Suppl 1. S208-S219 (2004).</li>
<li>Stark, J. A., McKie, S., Davies, K. E., Williams, S. R., Luckman, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((5-HT%282C%29+antagonism+blocks+blood+oxygen+level-dependent+pharmacological-challenge+magnetic+resonance+imaging+signal+in+rat+brain+areas+related+to+feeding%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">5-HT(2C) antagonism blocks blood oxygen level-dependent pharmacological-challenge magnetic resonance imaging signal in rat brain areas related to feeding.</a> Eur. J. Neurosci. 27, 457-465 (2008).</li>
<li>Stark, J. A., Davies, K. E., Williams, S. R., Luckman, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+magnetic+resonance+imaging+and+c-Fos+mapping+in+rats+following+an+anorectic+dose+of+m-chlorophenylpiperazine%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Functional magnetic resonance imaging and c-Fos mapping in rats following an anorectic dose of m-chlorophenylpiperazine.</a> NeuroImage. 31, 1228-1237 (2006).</li>
<li>Steward, C. A., Marsden, C. A., Prior, M. J., Morris, P. G., Shah, Y. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methodological+considerations+in+rat+brain+BOLD+contrast+pharmacological+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Psychopharmacology+%28Berl%29%22%5BJournal%5D)">Methodological considerations in rat brain BOLD contrast pharmacological MRI.</a> Psychopharmacology (Berl). 180, 687-704 (2005).</li>
<li>Strupp, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulate%3A+A+GUI+based+fMRI+Analysis+Software+Package%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Stimulate: A GUI based fMRI Analysis Software Package.</a> NeuroImage. 3, S607(1996).</li>
<li>Tomasi, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methylphenidate+enhances+brain+activation+and+deactivation+responses+to+visual+attention+and+working+memory+tasks+in+healthy+controls%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Methylphenidate enhances brain activation and deactivation responses to visual attention and working memory tasks in healthy controls.</a> Neuroimage. 54, 3101-3110 (2011).</li>
<li>Woolrich, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bayesian+analysis+of+neuroimaging+data+in+FSL%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL.</a> NeuroImage. 45, S173-S186 (2009).</li>
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</ol>

我々は、開示することは何もありません。

5-HT phMRI は 、in vivo での動物の神経伝達物質の機能を評価するための有望なツールです。それは機能的なMRイメージングと5-HTの課題に対する脳の反応を可視化する。 MRIは、高空間分解能を持っているので、電離放射線への反復暴露を避けるコントラスト剤または放射性標識分子の注入を必要としないために大きな利点を持っています。この手法は、人間と動物の両方の科目に適用されるため、神経伝達物質システムと精神疾患のトランスレーショナルリサーチのために非常に適しています。そのアプリケーションはもちろん、5-HT経路に限定されるものではなく、既に動物の5,15およびヒト22の両方におけるドーパミン作動薬の効果を評価するために広く使用されています。 すでにマーティンとSibson 11スチュワード20日の記事で指摘したようにそれにもかかわらず、小さな動物のphMRIは、依然として厳しい。これらの課題の一つは、メンテナンスoです画像取得時にf安定した生理的パラメータを設定します。ほとんどの麻酔薬は、心臓血管機能を変化させるとphMRIそれは、任意の血行動態の変化が与えられた薬物のチャレンジにもっぱら起因していることを確認することが不可欠である心血管疾患/血行動態パラメータに決定的に依存していることを考えることができます。それはPco 2のレベルがベースライン取得時に一定に保たれるので、非常に重要です。機械的人工換気は、生理学的安定性を確保することができ、頻繁に実験のこのタイプで使用されています。しかし我々は将来的に長期的な研究を実行する可能性を開いたままに自由呼吸動物を使用することにしました。代わりに、我々は広範囲に安定した血管反応性を維持するために機能的なスキャンの開始前に、この方法で正常範囲内に生理的な安定性を確保するために（そして変更された）呼吸と血液ガスの値を監視し、T2 * / T2信号。脳の血行動態とmetabolisに関する一般的な麻酔薬の影響についての文献mは20豊富で、この原稿の範囲を超えています。吸入麻酔薬で、麻酔の深さは、迅速かつ容易に制御することができるので、我々は、この特定のプロトコルのイソフルラン±2％でガス麻酔を使うことにしました。これは、画像取り込みの開始前に正常範囲に安定PCO 2のレベルを確保するために我々のセットアップで重要である。イソフルランは、今日最も一般的に使用される吸入麻酔薬であり、縦断的研究のために重要である迅速な誘導と回復が可能になります。また、最小の心血管系および呼吸抑制を生成し、骨格筋の良いリラクゼーションを誘発する。 第二に、挑戦的な薬剤の静脈内投与は、ヒトのより小さい動物のより複雑です。大腿動脈と静脈のカニュレーションに必要とされる手術はよく訓練され経験豊富なスタッフを必要とします。それは現時点では、端末の手順で主に使用されるこれらの侵襲的処置のために。しかし、血液の恒常性と尾静脈注射の非侵襲的モニタリングは、縦断的研究23を使用することができる。 さらに、動物phMRIのために固有のものではありませんテクニックにはいくつかのより一般的な制限があります。マーティンとSibson 11で指摘したようにさらに、すべてのfMRIの研究の潜在的な混乱させる、それが挑戦によって誘発される脳活動の変化が神経活動の変化はなく、周辺全身への影響を反映していると想定されるということです。特に深い脳の構造で、神経血管カップリングの比較的貧しい人々の理解は（神経活動の変化と血行動態の変化との関係）のまま。皮質で神経血管カップリングを決定するためにLogothetis 10によって行わ種の研究は、まだ脳の他の部分で実施されていない。それが重要な構造のBOLD信号の増加などの線条体や扁桃体はテリン何であるかは不明であるので、ニューロンの活動について教えてG。我々はこの時点で言うことができる最高の脳の領域が与えられた課題に反応し、治療および/または条件に応じて、我々は脳の反応性の有意な変化を監視することができますということです。これは、主にMRIデータと生理学的応答の両方を見て確認することができます。脳の活性化の一般的なパターンは、この場合、高い5-HT神経支配ではなく、できるだけ一般的な血管の応答で、ある領域に領域を特定し、制限する必要があります。また、血管と血行動態の変化の間に別の一時的なプロファイルが期待されています。血圧の変化は数分以内にベースライン値に戻るのに対し、BOLD活性化に対する薬剤の効果は画像の取り込みが終了するまで表示されてフルオキセチンの場合ですと、この薬の知っている薬物動態学的特性に対応しています。最後に、すべての動物の生理学的応答は、被験者間の比較を行うために、似ている必要があります。 NonetheleSS、それは5-HTによる局所血流の神経性調節4が存在することが知られている。したがって、それはBOLD信号の局所的変化は血管の近傍に5-HTの放出による血管の変化に帰することを除外することはできません。これらの効果は、ローカルニューロンの活性化に関連付けられていないため、偽陽性の結果とみなすことができるが、それはまた5-HTシステムの全体的な特定の機能（これも3を参照）のインデックスです。 この手法の重要なステップは、広範囲の生理学的反応を監視するために、動物の生理的条件下では、画像取得前との間に安定していることを確認してくださいすることがあります。また、スキャナの条件は、できるだけ安定しており、各動物のために正確に同じである必要があります。シーケンスの信号安定性をチェックして、実験の開始前に確認する必要があります。さらに、小さな被写体grouで、常に十分な大きさの統計的検出力を持っていることを確認してくださいpsの。一般に動物phMRIの実験的検討事項の素敵なレビューのために、スチュワード20を参照し、ラットとマウスにおける薬理fMRIのための実験プロトコルの追加例えば、フェラーリ5を参照してください。 ここで説明する手法の可能な変更はたくさんあり​​ます。一つは、可能性： <ol><li>薬物作用6,19の基礎となるメカニズムを明らかにするためにそのような別のSSRIまたは5-HT受容体（ANT）アゴニスト16,13,18,7、あるいは二重の課題として5-HTの挑戦のために別の薬剤を使用して; </li><li>そのような別の麻酔体制、機械的人工換気、血液プール造影剤の代わりに、BOLD 15、縦断的研究（動物が生きて維持する必要があるなど、さまざまな実験のセットアップを使用するので、全く観血式血圧/血液ガス測定しない、および/ ​​または機械的人工換気MR-互換性のあるELEを使用して、このような神経活動の記録として、他の（侵襲性）メソッドとの組み合わせでも）が可能であるか、またはctrodes 10またはPET / SPECT研究4; </li><li> &quot;P-ブロック&quot;マッキー12に記載の方法または機能の接続性の分析15などの異なるMRIデータ分析方法を使用します。 </li></ol>あなたが実験で行った選択の可能性および/またはあなたのラボとあなたが答えたい研究課題のタイプ内の経験に大きく依存している。

<table border="1"><tbody><tr><td> 試薬/装置の名前 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント </td></tr><tr><td>イソフルレン</td><td> ABBOTT <a href="http://www.abbott.co.uk/" target="_blank">アボット·ラボラトリーズ（株）、英国メイデンヘッド</a> </td><td>いいえB506ません</td><td>医療用空気と混合</td></tr><tr><td>医療用空気</td><td> <a href="http://www.bochealthcare.co.uk/" target="_blank">BOCヘルスケア</a> </td><td></td><td></td></tr><tr><td>加温パッド</td><td> <a href="http://www.harvardapparatus.co.uk/" target="_blank">ハーバード装置</a> </td><td> 507223F <a href="http://www.harvardapparatus.co.uk/webapp/wcs/stores/servlet/haisku3_10001_11555_39108_-1_HAUK_ProductDetail_N_37610_37611_37613" target="_blank">フレキシブルプローブ、ミディアム、230 VAC、50 Hzの完全な恒温動物ブランケットシステム</a> </td><td></td></tr><tr><td>シルクリットル<html> igature </td><td> <a href="http://www.harvardapparatus.com/" target="_blank">http://www.harvardapparatus.com/</a> </td><td> <a href="http://www.harvardapparatus.com/webapp/wcs/stores/servlet/product_11051_10001_43051_-1_HAI_ProductDetail" target="_blank">非吸収性2から0黒編みシルク</a> 猫のNum 51から7631 </td><td></td></tr><tr><td> PE-50カニューレ</td><td> <a href="http://www.scientificlabs.co.uk/" target="_blank">http://www.scientificlabs.co.uk/~~V</a> </td><td> <a href="http://www.scientificlabs.co.uk/product/TUB3662" target="_blank">PortexチューブPE 0.58x0.96mm</a> </td><td> 0.58 ID 0.96外径mm </td></tr><tr><td>ヘパリンナトリウム</td><td> <a href="http://www.leo-pharma.com/Home/Products/List-of-LEO-Pharma-products.aspx" target="_blank">レオの研究所株式会社、バックス、イギリス</a> </td><td>ヘパリンナトリウム1000IU/ml </td><td> 15 U / mlの</td></tr><tr><td> Vetbond組織接着剤</td><td> <a href="http://solutions.3m.co.uk" target="_blank">3M</a> </td><td>TTP :/ / solutions.3m.co.uk/wps/portal/3M/en_GB/HealthCare/Home/ProdInfo/VetProducts / &quot;ターゲット=&quot; _blank &quot;&gt; M Vetbondの組織接着剤</td><td></td></tr><tr><td>監視システム</td><td> <a href="http://www.i4sa.com/" target="_blank">SA·インスツルメンツ</a> </td><td> <a href="http://www.i4sa.com" target="_blank">http://www.i4sa.com</a> <a href="http://69.20.42.253/web_app/main/defaultProduct.aspx?ID=16&amp;PT=3" target="_blank">モデル1025L監視システム</a> </td><td>モニター呼吸と温度</td></tr><tr><td>圧力トランスデューサー</td><td> <a href="http://www.biopac.com/" target="_blank">モンテシステム株式会社</a> </td><td> <a href="http://www.biopac.com/blood-pressure-transducer" target="_blank">血圧トランスデューサ- TSD104A</a> <a href="http://www.biopac.com/data-acquisition-analysis-system-mp150-system-windows" target="_blank">MP150データ·アクイジション·システム- WIN - MP150WSW</a> </td><td>モニター血圧</td></tr><tr><td> RapidLab血液ガス分析装置</td><td> <a href="http://www.medical.siemens.com/" target="_blank">シーメンスの診断</a> </td><td> <a href="http://www.medical.siemens.com/webapp/wcs/stores/servlet/ProductDisplay~q_catalogId~e_-111~a_catTree~e_100001,1023069,1016115~a_langId~e_-111~a_productId~e_172940~a_storeId~e_10001.htm" target="_blank">RAPIDLab 348分の248システム</a> </td><td></td></tr><tr><td> 4.7T動物スキャナ</td><td>アジレント·テクノロジー（以前MAGNEX） 4.7T周波数199.845 MHzの</td><td></td><td></td></tr><tr><td> MR互換性のある定位ベッド</td><td> <a href="http://www.m2mimaging.com/products/preclinical.html" target="_blank">M2Mイメージング株式会社</a> </td><td>ラットベッド：PA Multi要素50-72-1003/100 AHS </td><td></td></tr><tr><td>コイル</td><td> <a href="http://www.m2mimaging.com/products/preclinical.html" target="_blank">M2Mイメージング株式会社</a> </td><td>ボリュームTH / Rxの RQD1 112分の72 200 </td><td></td></tr><tr><td>塩酸フルオキセチン</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> F-132 </td><td>生理食塩水に5mg/kgを</td></tr></tbody></table>

前臨床研究における薬理学的チャレンジのfmriの利用：5-htシステムへの応用

The Use of Pharmacological-challenge fMRI in Pre-clinical Research: Application to the 5-HT System

薬理学的MRI（phMRI）は、最終的に、うつ病やADHDなどの薬物作用と神経伝達物質関連障害の背後にある基本的な神経生物学的メカニズムを解明するために使用することができ、脳の機能上の物質の影響を研究するための新しい有望な方法です。撮像法（PET、SPECT、CT）の大半と同様、​​それは脳障害の調査と全体的な神経接続の尊重と非侵襲的な方法で神経伝達経路の関連する関数の進捗状況を表しています。また、それはまた、臨床試験への変換のための理想的なツールを提供します。 MRIは、まだ背後にある分子イメージング戦略のPETやSPECTと比較して、しばらく大きな利点は、それによって電離放射線への反復暴露を避けて、高空間分解能やコントラストエージェントまたは無線標識分子の注入の必要はありませんを持っている必要があります。それはgである機能的MRI（fMRI）が広く、研究と臨床の現場で使用されているenerally精神運動タスクを組み合わせる。 phMRIは、fMRIは、特定の困難な薬物の投与を経由してアクティベーション後に生理学的または病理学的条件下では、セロトニンなどの特定の神経伝達物質システム、（5-HT）の調査を可能に適応したものです。 ここで説明する方法の目的は、自由呼吸動物の脳5-HT機能を評価することである。同時に時間の経過とともに機能的なMR画像を取得中に5-HTシステムに挑戦することによって、この課題に対する脳の反応を可視化することができます。動物のいくつかの研究は既に例えば5-HT（剤、選択的再取り込み遮断薬などを放出する）の細胞外濃度の薬剤誘発性の増加が原因で血中酸素レベル依存（BOLD）MRI信号（信号の地域固有の変更を呼び起こすことが示されている酸素とgを供給する血液の供給の増加を介して脳の活性化時に発生する酸化/脱酸素化ヘモグロビン濃度の変化に神経伝達物質の機能の指標を提供する）を要求ニューロンにlucose。また、これらの効果は減少し5-HTの可用性16,13,18,7その治療によって逆にすることができることが示されている。成体ラットでは、急性SSRI投与後のBOLD信号変化は、いくつかの5-HTに関連する脳の領域、すなわち皮質、海馬、視床下部と視床9,16,15に記載されている。 5-HT系の刺激と、この課題への応答は、このように動物とヒトの2,11の両方でその機能の尺度として使用することができます。

この手法の目的は、セロトニン（5-HT）の薬理学的磁気共鳴イメージング（phMRI）と選択的セロトニン再取り込み阻害薬（SSRI）、フルオキセチンと静脈内チャレンジライブと自由呼吸動物の神経伝達物質の機能を評価することである。

前臨床研究における薬理学的チャレンジのfMRIの利用：5-HTシステムへの応用

薬理学的MRI（phMRI）は、物質が脳機能に及ぼす影響を研究するための新しく有望な手法であり、最終的に...を解明するために活用できる。

本実験の目的は、選択的セロトニン再取り込み阻害薬であるフルオキセチンの静脈内投与による薬理学的チャレンジと、遊離呼吸状態の動物を用いた機能的磁気共鳴画像法（fMRI）により、セロトニン（5-HT）神経伝達物質の機能を評価することです。これは、初期のベースライン測定後に関数的MRIと薬理学的チャレンジを組み合わせることで達成され、実験開始前および実験中の特定の薬剤に対する脳の血流動態反応を可視化します。fMRIで可視化される脳反応が、投与された薬理学的チャレンジのみに起因することを確実にするため、動物の生理学的反応を広範囲にモニタリングし、維持することが不可欠です。最後に、ベースライン値と比較して信号の変化を示し、セロトニン負荷に起因すると考えられる脳のボクセルを特定するため、MRIデータの統計的データ解析を行います。これにより、機能的MRIで測定したセロトニン負荷に対する脳の反応に基づき、脳内のセロトニン機能に関する指標が得られます。PETやSPECTなどの既存のイメージング手法に対する本手法の主な利点は、放射性トレーサーを使用しないため、侵襲性が低いことです。したがって、本手法は小児や患者などの脆弱な被験者に対しても適用可能であるため、トランスレーショナルリサーチに非常に適した技術です。この方法はセロトニン系の機能に関する知見を提供しますが、異なる薬物負荷を用いることで、例えばアンフェタミン負荷によるドパミン系など、他の神経伝達物質系にも適用可能です。この実験を開始するには、まずラットを完全に麻酔し、血液ガスおよび血圧の測定、ならびに負荷薬剤の投与を行うため、大腿動脈と大腿静脈にカニューレを留置します。手術完了後、維持麻酔として麻酔レベルを2%まで下げます。動脈血ガス値に応じて調整します。温風加温システムを使用して、体温を37°Cから1.5°Cの範囲内に維持してください。なお、MRI撮像が体温に影響を及ぼす可能性があることに注意してください。また、定位脳手術用ベッドの中に温水ベッドを設置することも可能です。次に、耳および歯のバーを用いて頭部の位置を固定し、動物を腹臥位のままMR互換のステレオタキシックベッドに配置します。呼吸数をモニタリングおよび記録するため、圧力センサーに接続した呼吸カフを動物の下に配置します。撮像中に実施します。また、動脈血圧をモニタリングするために、動脈ラインを圧力トランスデューサーに接続します。ここでは、内径72 mmの円筒形クアドラチャ送受信RFコイルを備えた4.7 Tesla小動物用MRIシステムを使用しています。その後、ベッドをMRIスキャナーのボア内に配置します。動物をスキャナーに設置したら、処置の間、動物が安定し、十分に麻酔がかかっており、自発呼吸が維持されていることを確認するために、生理学的反応を絶えずモニタリングする必要があります。in vivoイメージングでは、pH MRIスキャンの最中に麻酔 regimen を調整しないことが重要です。これはMR信号に影響を及ぼす可能性があるため、動脈血ガス値は安定し、ここに表示されている範囲内である必要があります。pH MRIスキャンを開始する前に、必要に応じて麻酔レベルを調整して呼吸の深さを制御し、数値をチェックします。その後、しばらくして呼吸数が毎分45～75回で安定し、血圧が100～150 mmHgの間で一定であることを確認してください。薬理学的負荷により、説明にある通りこれらの測定値に変化が生じます。次にプロトコルに従い、3方向のスカウト画像で撮像を開始し、脳をMRI視野の中心に正しく配置します。その後、局所的なシム補正を行い、磁場の均一性を向上させます。続いて、レジストレーションおよびセグメンテーションに使用するためのT2強調解剖学的画像ボリュームを取得します。嗅球の後端から8mm手前を中心とした、厚さ1mmの冠状断スライス30枚を推奨します。すべての生理学的反応が一定になるように設定された具体的な画像パラメータについては、原稿を参照してください。ここでpH MRIスキャンを継続します。T2強調ターボスピンエコー法を用い、32ボリュームを取得します。総スキャン時間は84分です。負荷薬剤を投与する前に、少なくとも10分間、ベースラインボリュームを複数回取得してください。1つの研究に含まれるすべての動物に対して、必ず全く同じタイミングで注入を開始してください。本プロトコルでは、ベースラインスキャンを約21分間行った後、9回目ボリュームの開始時に投与を開始しました。フルオキセチンによる薬理学的負荷により、呼吸数が短時間に15〜20%上昇し、さらに動脈血圧が短時間ながら約20%急激に低下することに注意してください。これは5～10分以内に回復するはずです。造影後のイメージング期間は、研究課題や使用する薬物負荷の種類に応じて、信号変化を視覚化し、MR信号が定常状態に達するか、あるいは回復するのに十分な長さであることを確認してください。イメージングが完了したら、動物をスキャナーから出し、最後に血液ガス測定を行い、上述の画像取得中の血液ガスパラメータが安定していたことを確認します。統計解析に向けてデータを最適化するため、MRデータのプリプロセスにおけるいくつかの手順を以下に示します。ここでは推奨されるツールを挙げますが、実際には多くの異なるツールが利用可能です。まず、すべてのRAW画像を、使用するMRI解析ソフトウェアと互換性のあるファイル形式に変換します。次に、ヒトのデータ用に設計された解析アルゴリズムとの互換性を確保するため、foxholeサイズを10倍します。画像に不規則な点や方向性のアーティファクト、S/N比、および体動がないか視覚的に確認してください。明らかなアーティファクトや過度な体動があるスキャンは、結果を歪ませるため除外してください。すべてのスキャンの方向は、解剖学的画像と機能的画像の間で類似しており、かつ補正に使用する参照脳と一致している必要があります。4D時系列データにモーションアーティファクトがある場合は、精細なモダリティ間脳画像レジストレーションを用いるfsls fltなどのモーション補正ツールを使用してください。次に、4D時系列データと3D解剖学的画像の両方に対して脳セグメンテーションを行います。これには、FSLツールのBETが利用可能です。デフォルト設定はヒトの脳での使用向けに開発されています。したがって、必ずラットの脳に合わせて値を最適化してください。統計解析の目的は、薬物投与に起因するさらなる変動を示すボクセルを特定することです。この目的のために、さまざまなアプローチやソフトウェアパッケージが利用可能です。ここでは、解析の前に行うべき推奨される方法を示します。まず、データを検証するための一般線形モデルを決定する必要があります。これは単純な正方形のオン・オフモデルであるか、あるいはデータに基づく特定のモデルとする。データ駆動型モデルの場合、すべてのベースラインボリュームとすべてのチャレンジ後のボリュームに対して、2標本t検定を行う。最初のボリュームとチャレンジが与えられた間のボリュームは、その後の定常状態のイメージングを代表しない可能性があるため除外する。その後、ベースラインから一定の割合（例えば1%）以上の変化があったすべてのボクセルを識別し、識別されたすべてのボクセルにおけるタイムコースを平均化して、モデルの形状を把握する。これにより、負荷による効果が即時的か遅延的か、効果がプラトー（高原状態）やピークに達するか、そしてスキャン中のタイムコースにおいて効果が再び減衰するかを判断できます。これをすべての個体に対して行い、その後平均化することで、全個体における平均信号変化を算出します。これが、データ駆動型GLMのモデルとなります。次に、解析ツール内で一次解析を設定します。TRを設定し、ハイパスフィルターまたはローパスフィルターを設定する必要はないことに注意してください。半値全幅（FWHM）8 mmのカーネルを用いてデータを空間的に平滑化します。これで、各動物の未処理の4D時系列画像について、あらかじめ構築した一般線形モデルに基づいた統計検定を行います。これは説明変数、すなわち、データを照合してテストする波形またはデザイン行列です。次に、得られた統計画像に閾値を適用し、どのボクセルまたはボクセルのクラスターが特定の有意水準で活性化しているかを示します。テストされるボクセル数が非常に多いため、多重比較補正を適用する必要があります。最後に、群間統計解析を行うために、データをリファレンスに空間的に正規化します。まず、機能データを動物の脳抽出済み解剖学的画像にレジストレーションし、次にリファレンス画像にレジストレーションします。その後、「go」を押して解析を実行し、結果を確認してください。その後、すべての動物の第1レベル分析を、より高次の統計解析に統合することができます。これは、個々の研究、設計、および研究目的に大きく依存します。また、必要に応じて、記録された生理学的反応をMR信号と結合させることも可能です。負荷薬剤が血管系に注入されると、明確な生理学的反応が見られるはずです。フルオキセチンは、呼吸数の増加および血圧の低下を引き起こします。これらの反応は、平均して5〜10分以内に正常化します。ここでは、血圧の低下が明確に見て取れます。正の活性化ボクセルと、それに伴う信号時間経過の好例がここに示されています。活性化ボクセルにおける平均信号時間経過では、比較的安定したベースラインと、負荷による明確な反応が認められるはずです。好ましくは、呼吸抑制や麻酔の不全、あるいは変化といった信号アーチファクトに起因する依存的なドリフトが生じていないことが望ましい。これらの要因は信号の中で明確に視認できることが多い。呼吸抑制による全般的な信号喪失の例が、ここにある第1レベル解析後の結果に示されている。活性化パターンは、主に陽性であり、皮質領域、海馬、視床下部、視床などの特定のセロトニン関連領域のみに局在することが期待される。脳全体でMR信号が線形に減少している場合、それは多くの場合、より全身的な影響を示唆しています。例えば、深い麻酔や呼吸抑制などが挙げられます。このビデオを視聴することで、選択的セロトニン再取り込み阻害薬による静脈内投与チャレンジを用いて、薬理学的磁気共鳴イメージング下で、生存し自由呼吸している動物のセロトニン神経伝達物質機能を評価する方法を十分に理解できるはずです。高磁場での作業は非常に危険であることに留意し、本手順の実施中は磁性体（金属）が磁場内に進入しないよう、常に十分な予防措置を講じてください。したがって、画像取得中に動物をモニターするために使用するすべての機器は、磁場適合性のあるものである必要があります。

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