Deep Brain Stimulation met gelijktijdige fMRI in Knaagdieren
15 februari 2014
Dit protocol beschrijft een standaard methode voor gelijktijdige functionele magnetische resonantie imaging en diepe hersenstimulatie bij de knaagdieren. Het gecombineerde gebruik van deze experimentele instrumenten maakt de exploratie van wereldwijde downstream activiteit in antwoord op elektrische stimulatie vrijwel elk doel hersenen.
Hallo, ik ben John Ya. En ik ben Dan Alba. Vandaag zullen we functionele MRI met gelijktijdige diepe hersenstimulatie bij een rat demonstreren.
We kunnen deze techniek gebruiken om functionele reacties in de hersenen te meten als reactie op diepe hersenstimulatie op verschillende doelwitten. Deze procedure omvat stereotactische elektrode-implantatie, FMRI-acquisitie en een analyse van functionele reacties. De eerste stap is de elektrode-implantatie.
We zullen een elektrode eenzijdig in de nucleus subthalamicus implanteren. We beginnen met het volledig verdoven van het dier en monitoren fysiologische parameters, inclusief zuurstofverzadiging en lichaamstemperatuur gedurende de procedure. Begin met het voorbereiden van de operatieplek door het haar te verwijderen en het dier aan een stereotactisch frame te bevestigen.
Gebruik zalf om de ogen van het dier te smeren tijdens de procedure. Breng antisepticum aan op de plaats en bedek het gesteriliseerde veld met doeken. Om de voorbereiding van de operatieplek te voltooien.
Verwijder de huid en fascia boven de schedel en zorg ervoor dat bgma en lambda onbedekt zijn. Gebruik een scalpel om het schedeloppervlak te ruwen om later in de procedure de hechting van het cement te verbeteren. En gebruik steriele watten in elektrocauterisatie voor hemostase over het botoppervlak en snijd weefsels.
Gebruik een naald die aan de stereotactische arm is bevestigd om de exacte locatie van bgma als referentie voor de locatie van de craniotomie aan te raken en markeer de locatie op de schedel met de naald voor de nucleus subthalamicus. Dit zal 3,6 millimeter posterieur tot rema zijn en 2,5 millimeter lateraal van de middenlijn. Gebruik een kleine boor om een klein gaatje in de schedel te maken, de randen van het gaatje schoon te maken en te sonderen.
Gebruik een naald met een kleine gauge om het duraoppervlak grondig te verstoren en eventuele aanvullende bloedingen of lekkage van hersenvocht schoon te maken. Nu zullen we een MRI-compatibele schroef in de schedel plaatsen om te verankeren. Boor een gaatje in de schedel contralateraal en posterieur aan de toekomstige locatie van de elektrode.
Plaats de schroef diep genoeg om veilig te zijn, maar zonder op de dura of cortex te drukken, we gebruiken een MRI-compatibele zelfgemaakte tweekanaals wolfraam micro-elektrode voor stimulatie. Controleer de elektrode om ervoor te zorgen dat deze recht is en de draden niet gesplitst zijn. Plaats de elektrode op de stereotactische arm in een verticale positie en raak het uiteinde aan bgma.
Verplaats de elektrode naar de positie van het doelwit in de hersenen met behulp van het stereotactische frame voor meting en raak het corticale oppervlak aan. Laat de elektrode zakken met behulp van het stereotactische frame voor meting. Zorg ervoor dat er geen buiging in de elektrode is.
Tijdens dit proces, plaats eerst een initiële laag cement, zorg ervoor dat de schedel droge service is. Nadat de eerste laag droog is, buig de elektrode posterieur, breng vervolgens extra cement aan om de stabiliteit te verhogen. Laat het cement volledig drogen voordat het dier wordt verwijderd.
Het dier kan nu worden gereanimeerd of onmiddellijk worden voorbereid voor functionele MRI-scans. De tweede stap is het voorbereiden van het dier voor FMRI en FMRI-acquisitie. Dit kan onmiddellijk na de operatie of enkele dagen later worden uitgevoerd.
Een hoofdband moet worden gebruikt om het hoofd van het dier volledig te immobiliseren ten opzichte van de spoel. Het dier moet endobuccaal worden geïntubeerd en geventileerd. Er kan een verscheidenheid aan anesthetica worden gebruikt.
We gebruiken dme, toine en combin met lage dosis isof. Fluorine-verlamming moet worden uitgevoerd met behulp van pantonium om geometrie bij de aansluiting van de ventilatiebuis met de endobuccale buis te verkrijgen. Pas de ventilatorinstellingen aan om de eind TAL CO2 te stabiliseren.
In het normale bereik, over het algemeen in de buurt van 3% moeten de temperaturen worden gecontroleerd met behulp van een rectale sonde die aan de basis van de staart is bevestigd. Een circulaterend warmwaterbad moet worden aangepast om de lichaamstemperatuur binnen het normale bereik te stabiliseren. Pulsoximetrie kan ook worden verkregen in het gebied van de achterpoot, plaats tandpasta over het te scannen gebied om de beeldkwaliteit te verbeteren.
Plaats een oppervlaktespoel direct boven de te scannen hersengebieden. Bevestig de spoel stevig aan de hoofdband en houder. Verbind het stimulerende systeem met de elektrode-connector en bevestig de draden op hun plaats.
Bedek het dier voor verbeterde isolatie in de gekoelde omgeving van de magneet. Nu is het tijd om het dier in het midden van de magneet te plaatsen. Gebruik een drie-vlak S scout-beeld voor nauwkeurige positionering van het dier wereldwijd in de scanner.
Shim met verwijzing naar het corticale oppervlak om de homogeniteit van het magnetische veld te verbeteren. Gebruik vervolgens FMAP om lokaal te shimmen in de hersengebieden die zullen worden gebruikt voor functionele scans. Verkrijg een enkele T twee gewogen plaat in een middensagittale vlak.
Maak een single shot gradient. Echo EPI-scan met matrixgrootte van 96 bij 96, gezichtsveld van 2,56 bij 2,56 centimeter. Herhalingstijd van 1000 milliseconden, echotijd van 14 milliseconden en plaatdikte van één millimeter met vier dummyscans gevolgd door 70 herhalingen.
Elke scan met deze parameters zou één seconde moeten duren. Voor een totale scantijd van 70 seconden lijn deze EPI-scan uit naar de anterior commissie van de vorige T twee sagittale beeld voor geometrische consistentie tussen onderwerpen. Stel het stimulatie-, frequentie-, pulsbreedte- en stimulatieparadijs in en synchroniseer de stimulatietrigger met de RF-uitgangen van de scansequentie. Hier gebruiken we een frequentie van 130 hertz, een pulsbreedte van 90 microseconden en een stimulatieparadijs van 60 seconden rust, gevolgd door 30 seconden stimulatie en tenslotte 120 seconden rust.
Stel vervolgens het stimulatie-stroomtype in, inclusief de gewenste stroomamplitude en bipolaire stroomuitvoer. Controleer de EPI-scan om ervoor te zorgen dat de stimulatie na de acquisitie correct
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een methode voor gelijktijdige functionele MRI en diepe hersenstimulatie bij knaagdieren. Deze techniek maakt het mogelijk om hersenresponsen op elektrische stimulatie in verschillende doelgebieden in kaart te brengen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Neuro-imaging
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Functionele MRI biedt inzicht in de hersenactiviteit.
- Diepe hersenstimulatie wordt gebruikt om neuronale activiteit te moduleren.
- De combinatie van deze technieken maakt een uitgebreide analyse mogelijk.
- Deze methode is toepasbaar in knaagdiermodellen voor onderzoek.
Doel van de studie
- Om de globale hersenactiviteit als reactie op stimulatie te onderzoeken.
- Om de effecten van diepe hersenstimulatie op verschillende doelen te beoordelen.
- Om het begrip van de hersenfunctie en connectiviteit te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Stereotactische elektrode-implantatie
- Functionele MRI-acquisitie
- Analyse van functionele responsen
- Mapping van hersenactiviteit
Belangrijkste resultaten
- Identificatie van hersengebieden die door stimulatie worden geactiveerd.
- Karakterisering van veranderingen in functionele connectiviteit.
- Inzichten in de dynamiek van hersenresponspatronen.
- Potentiële toepassingen bij het begrijpen van neurologische aandoeningen.
Conclusies
- Deze methode biedt een krachtig instrument voor neurowetenschappelijk onderzoek.
- Het maakt onderzoek naar hersenfuncties in realtime mogelijk.
- Toekomstige studies kunnen voortbouwen op deze aanpak voor diepere inzichten.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Gelijktijdige diepe hersenstimulatie en fMRI bij knaagdieren maken nauwkeurige mapping van neurale circuitmodulatie mogelijk, wat bijdraagt aan targetvalidatie en mechanische risicovermindering bij de ontwikkeling van neuromodulatietherapie. Deze aanpak biedt kwantitatieve read-outs van de gehele hersenen die het voorspellende vertrouwen in preklinische DBS-studies vergroten door stimulatieparameters te koppelen aan functionele netwerkresponsen. Het vult een kritische leemte in de vertaling van preklinische stimulatiegegevens naar het ontwerp van klinische studies door onbevooroordeelde inzichten op systeemniveau te bieden in downstream neuronale effecten.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door downstream neuronale reacties in kaart te brengen na stimulatie van specifieke targets, zoals de nucleus subthalamicus.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie via functionele readouts van de gehele hersenen die inzicht geven in pathway-activatie en off-target effecten.
- Predictieve waarde: Verhoogt de betrouwbaarheid van targets door stimulatieparameters te correleren met meetbare BOLD-responsen in ziekterelevante circuits.
Screening & assayontwikkeling
- Klaarheid voor analyse: Bereidt gevalideerde neurale circuits voor op de evaluatie van verbindingen door baseline functionele connectiviteit en stimulatie-evoqueerde responsprofielen vast te stellen.
- Kwantitatieve output: Genereert reproduceerbare metingen van de procentuele signaalverandering op voxel-niveau, die dosis-responsanalyse en optimalisatie van stimulatieparameters mogelijk maken.
- Hergebruik van het platform: Stelt een gestandaardiseerde workflow vast voor het beoordelen van neuromodulerende effecten over meerdere hersendoelen, wat schaalbare screeningscampagnes ondersteunt.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziekten: Modelleert menselijke DBS-doelen zoals de STN voor Parkinson, wat preklinische evaluatie van de stimulatie-effectiviteit en netwerkmodulatie mogelijk maakt.
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen de ontdekkingsfase en de preklinische fasen door beeldvormingsbiomarkers te leveren van target engagement en veranderingen in functionele connectiviteit.
- Risico-gecorrigeerde voortgang: Informeert go/no-go-beslissingen door de consistentie en specificiteit van neurale responsen over verschillende stimulatieparadigma's te kwantificeren.
Integratie van Pipeline & Workflow
Deze methode integreert in de ontdekkingsworkflow door hypothesegestuurde circuitinterrogatie mogelijk te maken in een vroeg stadium van targetvalidatie, gevolgd door de verfijning van de assay voor screening, en door preklinische validatie te ondersteunen via reproduceerbare functionele readouts.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing en pathway-verduidelijking door stimulatie-geïnduceerde hersenactiviteit in verbonden regio's in kaart te brengen.
- Screening: Maakt assay-standaardisatie mogelijk door consistente elektrodeplaatsing, stimulatieparadigma's en kwantitatieve BOLD-signaalanalyse.
- Analytics: Levert correlatiecoëfficiëntkaarten en metrieken voor procentuele signaalverandering die cross-conditionele vergelijking en statistische evaluatie van netwerkmodulatie mogelijk maken.
- Translational Research: Sluit aan bij preklinische validatie door stimulatie-responsieve netwerken te identificeren die overeenkomen met bekende therapeutische circuits in ziektemodellen.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar neuroimaging-platform voor het evalueren van diverse neuromodulatiedoelen en stimulatieparameters over verschillende projecten heen.
Operationele impact & impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Biedt voorspellend vertrouwen in targetmodulatie door mechanistische ambiguïteit te verminderen via functionele mapping van het gehele brein.
- Operationele waarde: Waarborgt reproduceerbaarheid via gestandaardiseerde anesthesieprotocollen, fysiologische monitoring en een elektrodedesign dat artefacten minimaliseert.
- Strategische waarde: Verbetert de go/no-go besluitvorming door stimulatieparameters te koppelen aan kwantificeerbare netwerkresponsen, waardoor biologische risico's in een laat stadium worden verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van neuromodulatietargets mogelijk op basis van gevalideerde functionele connectiviteit en responsspecificiteit.
Overwegingen voor de uitvoering
- Vereist expertise in stereotactische chirurgie, MRI-fysica en elektrofysiologie om nauwkeurige plaatsing van elektroden en controle van artefacten te waarborgen.
- Is afhankelijk van MRI-compatibele stimulatiehardware, fysiologische monitoringsystemen en aangepaste pipelines voor beeldanalyse.
- Necessiteert cross-team standaardisatie van stimulatieparadigma's, anesthesiecocktails en het behoud van fysiologische parameters tussen verschillende locaties.
- Omvat overwegingen voor adaptatie aan verschillende hersendoelen, wat herkalibratie van stereotactische coördinaten en validatie van de elektrodeplaatsing vereist.
- Bevat praktische beperkingen zoals residuele electrode-geïnduceerde artefacten en de invloed van anesthetica op de neurovasculaire koppeling, die in rekening moeten worden gebracht bij de data-interpretatie.
