Assessing Metabolic Neuromodulation Induced by Acute Deep Brain Stimulation in Rats Using In Vivo FDG-PET
JoVE Encyclopedia of Experiments
Neurowetenschap
0 weergaven • 3:47 min • August 29th, 2025
Take an anesthetized rat with deep brain stimulation or DBS electrodes implanted in the medial prefrontal cortex.
Inject FDG, a radiolabeled glucose analog, through the lateral tail vein.
FDG crosses the blood-brain barrier via glucose transporters, and reaches the brain.
Prepare the stimulator setup in a quiet environment to minimize potentially disturbing stimuli.
Connect the stimulation wires to the electrodes.
Start DBS. High-frequency electrical pulses depolarize neuronal membranes, enhancing synaptic activity.
This increases neuronal ATP consumption, accelerating glucose metabolism to replenish ATP levels.
Enhanced glucose utilization increases FDG uptake in metabolically active neurons and glia, where it undergoes phosphorylation and accumulation.
Stop the stimulation. Capture PET and CT brain images and generate brain maps.
Increased FDG uptake indicates more active brain regions, while less active areas show lower uptake, revealing DBS-induced metabolic neuromodulation.
Fill a 27 gauge syringe with approximately 37 megabecquerel of the FDG solution in the least possible volume as measured in an activimeter. Place a heating pad under the animal's tail or use infrared light to dilate the tail veins. Inject the FDG solution through one of the lateral tail veins.
Place the animal back in the cage and allow 45 minutes for radio tracer uptake before initiating the image acquisition session. For the D2 study, deliver DBS during the FDG uptake period. Prepare the isolated stimulator and the required wires in a vast and quiet room with enough space for the animal cages and minimal influence of potentially disturbing stimuli.
Connect the stimulation wires to the swivels to allow animals to freely move within the cages and to the stimulator. Set the stimulation parameters as described in the text manuscript. Use an oscilloscope to check the current mode, frequency, and pulse width.
Confirm the biphasic wave form with a rectangular pulse shape. The CT image clearly visualized the electrode inserted into the rat brain. The imaging modality used in this study also provided good anatomical information and facilitated the registration of FDG-PET images.
A fused PET-CT image of the same animal spatially registered to the same stereotaxic space. The brain metabolic differences were observed between PET sessions as T-maps superimposed on sequential one millimeter brain slices from an MRI registered to the reference CT image. These differences consisted of increases and decreases in FDG uptake shown as warm and cold colors respectively.
Overzicht
Deze studie onderzoekt de effecten van diepe hersenstimulatie (DBS) op het glucosemetabolisme in de rattenhersenen met behulp van FDG-PET-beeldvorming. De methodologie omvat het toedienen van een radiogestempeld glucoseanalogon en daaropvolgende beeldvorming om de metabole activiteit te beoordelen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Metabole beeldvorming
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Diepe hersenstimulatie is een techniek die wordt gebruikt om neuronale activiteit te moduleren.
- FDG is een glucose-analoog die de bloed-hersenbarrière kan passeren.
- Metabole activiteit in de hersenen kan worden beoordeeld via beeldvormingstechnieken.
- Inzicht in het glucosemetabolisme is cruciaal voor het begrijpen van de hersenfunctie.
Doel van de studie
- Om de impact van DBS op de glucoseopname in de rattenhersenen te evalueren.
- Om metabole veranderingen te visualiseren met behulp van PET-beeldvorming.
- Om metabole activiteit te correleren met neuronale stimulatie.
Gebruikte methoden
- Geanestheseerde ratten met DBS-elektroden werden gebruikt voor de studie.
- FDG werd via de laterale staartvene geïnjecteerd om het glucosemetabolisme te beoordelen.
- DBS werd toegepast om de neuronale activiteit tijdens de FDG-opname te verhogen.
- PET- en CT-beeldvorming werden uitgevoerd om het metabolisme van de hersenen te visualiseren.
Belangrijkste resultaten
- Een verhoogde FDG-opname werd waargenomen in metabool actieve hersengebieden.
- DBS induceerde significante veranderingen in het glucosemetabolisme.
- Beeldvorming onthulde ruimtelijke verschillen in de metabole activiteit.
- Gefuseerde PET-CT-beelden boden anatomische context voor de metabole veranderingen.
Conclusies
- DBS moduleert effectief het glucosemetabolisme in de rattenhersenen.
- FDG-PET-beeldvorming is een waardevol instrument voor het bestuderen van metabole neuromodulatie.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van de metabole effecten van neuronale stimulatie.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Deze methode stelt R&D-teams in de biofarmaceutische industrie in staat om metabole neuromodulatie, geïnduceerd door neuromodulatoire interventies zoals diepe hersenstimulatie, kwantitatief te beoordelen. Door veranderingen in het glucosemetabolisme in kaart te brengen via FDG-PET, ondersteunt het de validatie van targets en het mechanistisch reduceren van risico's in preklinische neurowetenschappelijke programma's. De aanpak biedt voorspellende zekerheid bij de vertaling van neuromodulatiestrategieën van de ontdekkingsfase naar de preklinische ontwikkeling.
Strategische toepassingen in biofarma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door neuronale stimulatie te koppelen aan downstream metabole gevolgen in ziekterelevante hersencircuits.
- Operationele waarde: Maakt functionele targetvalidatie mogelijk via meetbare metabole read-outs die de betrokkenheid van het neuronale netwerk weerspiegelen.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt portfolio-triage door te identificeren welke neuromodulatoire targets robuuste en reproduceerbare metabole responsen opwekken.
Screening & assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op compoundscreening door baseline en gestimuleerde metabole fenotypes vast te stellen.
- Operationele waarde: Levert gestandaardiseerde, kwantitatieve FDG-opnamemetingen die de reproduceerbaarheid van assays tussen laboratoria en tijdstippen mogelijk maken.
- Klaar voor screening: Faciliteert een betrouwbare evaluatie van compounds die neuronale activiteit moduleren door middel van een functionele metabole readout.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele Continuïteit: Slaat een brug tussen mechanistische inzichten uit de ontdekkingsfase en preklinische validatie door dosis- en tijdsafhankelijke metabole effecten van stimulatie aan te tonen.
- Afstemming van Biomarkers: Ondersteunt de identificatie van metabole biomarkers die correleren met target engagement en functionele modulatie in neurale circuits.
- Risico-gecorrigeerde Voortgang: Informeert go/no-go-beslissingen door de metabole impact van neuromodulatie te kwantificeren, waardoor onduidelijkheden in studies naar het werkingsmechanisme worden verminderd.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm, van het testen van doelwit-hypotheses via lead-identificatie tot preklinische validatie, in het bijzonder voor programma's die gericht zijn op neuromodulatie.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing door te onthullen welke hersengebieden metabolisch geactiveerd of onderdrukt zijn na stimulatie, waardoor de betrokkenheid van signaalpaden wordt verduidelijkt.
- Screening: Maakt assay-gereedheid mogelijk via reproduceerbare FDG-PET-uitlezingen die door stimulatie geïnduceerde metabolische verschuivingen kwantificeren, wat de vergelijking van compound-effecten ondersteunt.
- Analytics: Genereert kwantitatieve T-map-verschillen en gestandaardiseerde uptake value-metrieken die vergelijking tussen condities en statistische evaluatie van neuromodulerende effecten mogelijk maken.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt met preklinische continuïteit door het leveren van metabolische eindpunten die longitudinaal gevolgd kunnen worden in ziektemodellen.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbare imaging-capaciteit voor het beoordelen van diverse neuromodulatiestrategieën over meerdere doelindicaties en therapeutische modaliteiten.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in het doelmechanisme door stimulatie direct te koppelen aan metabole gevolgen in neuronale netwerken.
- Operationele waarde: Waarborgt reproduceerbaarheid door gestandaardiseerde FDG-dosering, opnametiming en beeldvormingsprotocollen die biologische en technische variabiliteit minimaliseren.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door vroegtijdige risicoreductie van neuromodulatiedoelen, waardoor mislukkingen in een laat stadium door een onduidelijk mechanisme worden verminderd.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering door kwantitatieve metabole gegevens te leveren om stimulatiedoelen te vergelijken en investeringsbeslissingen te sturen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in kleine-dierchirurgie, het hanteren van radiotracers en micro-PET-beeldvormingsinstrumentatie.
- Afhankelijk van toegang tot een FDG-cyclotron of radiopharmacie, een PET/CT-scanner voor kleine dieren en instrumenten voor stereotactische DBS-elektrode-implantatie.
- Vereist standaardisatie tussen teams uit de neurowetenschappen, beeldvorming en farmacologie om consistente stimuleringsparameters en opnametijden te waarborgen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij de vertaling van ratmodellen naar andere soorten of ziekte-relevante genetische achtergronden.
- Praktische beperkingen omvatten protocollen voor stralingsveiligheid, tijdbeperkingen door verval van de tracer en de noodzaak van baseline-controlescans om stimulatie-specifieke effecten te isoleren.
Biopharma Veelgestelde Vragen
Een algemene methode voor het evalueren van Deep Brain Stimulation Effecten op Intraveneuze Methamfetamine Self-Administration
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Richtend neuronale Fiber traktaten voor diepe brein stimulatie therapie met behulp van interactieve, patiënt-specifieke modellen
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Radiotracer toediening voor hoge temporele resolutie positron emissie tomografie van het menselijk brein: toepassing op FDG-fPET
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Functionele Beeldvorming van bruin vet in Muizen met FDG micro-PET/CT
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Een dubbel Tracer PET-MRI Protocol voor de kwantitatieve meting van regionale opname van hersenenergiesubstraten bij de rat
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Deep Brain Stimulation met gelijktijdige fMRI in Knaagdieren
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Niet-invasieve beeldvorming en analyse van cerebrale ischemie in Living Ratten met behulp van positron emissie tomografie met
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Gelijktijdige PET / MRI beeldvorming Tijdens Mouse Cerebral hypoxie-ischemie
Gerelateerde video's
0 Bekeken
![Semi-kwantitatieve beoordeling [18F] FDG Tracer gebruiken bij patiënten met ernstige hersenletsel](/_next/image?url=https%3A%2F%2Fcloudfront.jove.com%2FCDNSource%2Fteasers%2F58641.jpg%3Fv%3D2026-08-11T08%253A27%253A20.333Z&w=384&q=75)
Semi-kwantitatieve beoordeling [18F] FDG Tracer gebruiken bij patiënten met ernstige hersenletsel
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Functionele magnetische resonantie spectroscopie op 7 T in de Rat vat Cortex tijdens de Whisker activering
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Laatst bijgewerkt: 22 augustus 2026