Głęboka stymulacja mózgu z jednoczesnym fMRI u gryzoni
15 lutego 2014
Ten protokół opisuje standardową metodę jednoczesnego funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego i głębokiej stymulacji mózgu u gryzonia. Połączone wykorzystanie tych narzędzi eksperymentalnych pozwala na badanie globalnej aktywności w odpowiedzi na stymulację elektryczną w praktycznie każdym miejscu w mózgu.
Cześć, nazywam się John Ya.I nazywam się Dan Alba. Dzisiaj pokażemy, jak to zrobi funkcjonalny rezonans magnetyczny. Jednoczesna głęboka stymulacja mózgu u szczura.
Możemy użyć tej techniki do mapowania funkcjonalnych reakcji w całym mózgu na głęboką stymulację mózgu w różnych celach. Procedura ta polega na wszczepieniu elektrody stereotaktycznej, akwizycji FMRI, analizie odpowiedzi funkcjonalnych. Pierwszym krokiem jest wszczepienie elektrody.
Jednostronnie wszczepimy elektrodę do jądra podwzgórzowego. Zaczniemy od całkowitego znieczulenia zwierzęcia i monitorowania parametrów fizjologicznych, w tym natlenienia i temperatury ciała przez cały czas trwania zabiegu. Przygotowanie miejsca operowanego należy rozpocząć od usunięcia włosów i przymocowania zwierzęcia do ramy stereotaktycznej.
Podczas zabiegu należy stosować maść do smarowania oczu zwierzęcia. Nałóż środek antyseptyczny na miejsce i nałóż zasłony na wysterylizowane pole. Aby zakończyć przygotowanie pola operacyjnego.
Usuń skórę i powięź pokrywającą czaszkę, upewniając się, że bgma i lambda są odsłonięte. Użyj skalpela, aby zszorstkować powierzchnię czaszki, aby poprawić przyczepność cementu w dalszej części zabiegu. I używaj sterylnej bawełny w elektrokoagulacji do hemostazy na powierzchni kości i przeciętych tkanek.
Użyj igły przymocowanej do ramienia stereotaktycznego, aby dotknąć dokładnej lokalizacji bgma jako odniesienia do lokalizacji kraniotomii i zaznacz miejsce na czaszce igłą do jądra podwzgórzowego. Będzie to 3,6 milimetra tylnej torema i 2,5 milimetra bocznej od linii środkowej. Użyj małego wiertła, aby zrobić mały otwór w czaszce, czyszcząc i sondując krawędzie otworu.
Użyj małej igły, aby dokładnie zaburzyć powierzchnię opony twardej i oczyścić wszelkie dodatkowe krwawienia lub wycieki płynu mózgowo-rdzeniowego. Teraz umieścimy w czaszce kompatybilną z rezonansem magnetycznym w celu zakotwiczenia. Wywierć otwór w czaszce po przeciwnej stronie i z tyłu do przyszłego położenia elektrody.
Umieść wystarczająco głęboko, aby była bezpieczna, ale bez naciskania na oponę twardą lub korę, do stymulacji używamy domowej roboty dwukanałowej mikroelektrody wolframowej kompatybilnej z rezonansem magnetycznym. Sprawdź elektrodę, aby upewnić się, że jest prosta, a przewody nie są rozdzielone. Umieść elektrodę na ramieniu stereotaktycznym w pozycji pionowej i dotknij końcówki do bgma.
Przesuń elektrodę do pozycji docelowego obszaru mózgu za pomocą ramy stereotaktycznej do pomiaru i dotknij powierzchni kory mózgowej. Opuść elektrodę za pomocą ramy stereotaktycznej do pomiaru. Upewnij się, że elektroda nie jest zginana.
Podczas tego procesu najpierw umieść początkową warstwę cementu, zapewniając suchą pracę czaszki. Po wyschnięciu pierwszej warstwy zegnij elektrodę do tyłu, a następnie nałóż dodatkowy cement, aby zwiększyć stabilność. Poczekaj, aż cement całkowicie wyschnie przed usunięciem zwierzęcia.
Zwierzę może być teraz reanimowane lub natychmiast przygotowane do funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Drugim krokiem jest przygotowanie zwierzęcia do FMRI i nabycia FMRI. Można to zrobić bezpośrednio po zabiegu lub kilka dni później.
Do całkowitego unieruchomienia głowy zwierzęcia w stosunku do cewki należy użyć nakrycia głowy. Zwierzę powinno być dotchawiczo, zaintubowane i wentylowane. Można stosować różne środki znieczulające.
Używamy dme, toine i combin z niską dawką isof. Paraliż fluorowy powinien być wykonywany przy użyciu geometrii nasadki pantonowej w pobliżu połączenia rurki wentylacyjnej z rurką dotchawiczą. Dostosuj ustawienia wentylatora, aby ustabilizować końcowy TAL CO2.
W normalnym zakresie, na ogół w pobliżu 3%, temperatury powinny być monitorowane za pomocą sondy doodbytniczej przymocowanej do podstawy ogona. Kąpiel z cyrkulacyjną gorącą wodą powinna być dostosowana tak, aby ustabilizować temperaturę ciała w normalnym zakresie. Pulsoksymetrię można również uzyskać w okolicy tylnej łapy, umieścić pastę do zębów na obszarze, który ma być skanowany, aby poprawić jakość obrazu.
Umieść cewkę powierzchniową bezpośrednio nad obszarami mózgu, które mają być skanowane. Mocno przymocuj cewkę do głowicy i uchwytu. Podłącz system stymulujący do złącza elektrody i zabezpiecz przewody na miejscu.
Przykryj zwierzę, aby uzyskać lepszą izolację w chłodnym środowisku magnesu. Teraz nadszedł czas, aby włożyć zwierzę do środka magnesu. Użyj obrazu zwiadowczego z trzema gładkimi literami S, aby precyzyjnie pozycjonować zwierzę w skanerze na całym świecie.
Podkładka w odniesieniu do powierzchni kory mózgowej, aby poprawić jednorodność pola magnetycznego. Następnie użyj FMAP, aby umieścić podkładkę lokalnie w obszarach mózgu, które mają być używane do skanów funkcjonalnych. Zdobądź pojedynczy plasterek T two ważony w środkowej płaszczyźnie strzałkowej.
Utwórz gradient pojedynczego ujęcia. Skan Echo EPI o rozmiarze matrycy 96 na 96, polu widzenia 2,56 na 2,56 centymetra. Czas powtarzania 1000 milisekund, czas echa 14 milisekund i szerokość warstwy jednego milimetra z czterema skanami fikcyjnymi, po których następuje 70 powtórzeń.
Każde skanowanie z tymi parametrami powinno trwać jedną sekundę. Aby uzyskać całkowity czas skanowania wynoszący 70 sekund, dopasuj ten skan EPI do przedniego spoidła poprzedniego obrazu strzałkowego T two, aby uzyskać spójność geometryczną między obiektami ustawiającymi stymulację, częstotliwość, szerokość impulsu i paradygmat stymulacji oraz synchronizując wyzwalacz stymulacji z wyjściami RF z sekwencji skanowania. Tutaj używamy częstotliwości impulsu o szerokości 130 herców wynoszącej 90 mikrosekund i paradygmatu stymulacji 60 sekund odpoczynku, następnie 30 sekund stymulacji i wreszcie 120 sekund odpoczynku.
Następnie ustaw typ prądu stymulacji, w tym żądaną amplitudę prądu i dwubiegunowy przebieg prądu wyjściowego. Skanowanie EPI zapewnia, że stymulacja uruchamia się odpowiednio po sprawdzeniu akwizycji, aby zapewnić solidną odpowiedź przy użyciu narzędzi do analizy danych opisanych w poniższej sekcji. Jeśli tak się nie stanie, sprawdź połączenia stymulatora.
Po tym, jak wymagane są wszystkie skany, należy przeprowadzić skany anatomiczne w celu zmierzenia przybliżonego położenia elektrody i zapewnienia pozycji elektrody w zamierzonym celu. Następnie szczur może być reanimowany i zachowany do dalszych eksperymentów. W końcu, po przeprowadzeniu wszystkich niezbędnych eksperymentów, zwierzę może zostać poddane eutanazji w mózgu poddanym fuzji z formaliną.
Po usunięciu przewodu elektrody można wykonać dwa skany ważone w rozdzielczości T w celu zidentyfikowania przewodu elektrody i jego związku z pobliskimi strukturami. W tym przypadku przewód elektrody kończy się tylko brzusznie do wewnętrznej torebki w jądrze podwzgórzowym, co potwierdza dokładność implantacji. Następnie przetworzymy i przeanalizujemy wyniki naszych skanów funkcjonalnych.
W tym celu użyjemy niestandardowego programu, który działa w Matlabie, chociaż inne pakiety oprogramowania do analizy FMRI mogą być używane w podobny sposób w Matlabie. Użyj kodów SPM, aby zastosować ciało sztywne we wszystkich próbach bodźców. Następnie utwórz średni segment obrazów, oszczędzając czas trwania skanów, ręcznie wykonaj zdejmowanie czaszki po zastosowaniu progu odcięcia.
Teraz wygenerujemy mapy współczynników korelacji dla interesujących nas obszarów mózgu. Redukcję szumów można przeprowadzić przy użyciu minimalnego rozmiaru klastra lub wygładzania dolnoprzepustowego trzy na trzy. Paradygmat stymulacji powinien być wprowadzany, a krótkie opóźnienie paradygmatu można ustawić, aby uwzględnić opóźnienie hemodynamiczne.
Dla każdego woksela można następnie obliczyć współczynnik korelacji zmiany intensywności sygnału w czasie w odniesieniu do paradygmatu stymulacji. Można to zmapować na każdym wycinku, aby zidentyfikować neuroanatomiczne regiony, w których reakcja piłki jest silnie skorelowana z protokołem eksperymentalnym. Obszary zainteresowania mogą być definiowane ręcznie lub używać wielokąta jako przybliżenia.
Procentowa zmiana sygnału w tym obszarze zainteresowania może być następnie określona przy użyciu sygnału przed stymulacją jako punktu odniesienia. Wartości te można następnie wyeksportować do analizy statystycznej. Tutaj przeprowadziliśmy głęboką stymulację mózgu w jądrze podwzgórzowym, a odpowiedzi na naszej mapie współczynników korelacji znajdują się w obszarach mózgu odległych od tego jądra.
Tutaj widzimy pozytywne, pogrubione i korowe obszary przed lokalizacją stymulacji w najbardziej tylnym wycinku. Artefakt z elektrody stymulującej jest widoczny, gdy zmiana intensywności sygnału pogrubionego w czasie jest obliczana dla badanego obszaru korowego próbki. Wynik jest wyświetlany na ekranie z paradygmatem stymulacji wyświetlanym tutaj za pomocą żółtego paska.
Można to wykorzystać do ilościowego określenia śmiałej odpowiedzi, a do dalszej analizy właśnie zademonstrowaliśmy głęboką stymulację mózgu z jednoczesnym funkcjonalnym rezonansem magnetycznym w modelu gryzoni. Dziękuję za oglądanie i życzę powodzenia w eksperymentach.I.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje metodę jednoczesnego wykonywania funkcjonalnego obrazowania rezonansu magnetycznego i głębokiej stymulacji mózgu u gryzoni. Technika ta umożliwia mapowanie odpowiedzi mózgu na stymulację elektryczną w różnych obszarach docelowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Neuroobrazowanie
- Elektrofizjologia
Wstęp
- Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) dostarcza informacji na temat aktywności mózgu.
- Głęboka stymulacja mózgu jest stosowana w celu modulacji aktywności neuronalnej.
- Połączenie tych technik umożliwia kompleksową analizę.
- Metoda ta ma zastosowanie w badaniach na modelach gryzoni.
Cel badania
- Badanie globalnej aktywności mózgu w odpowiedzi na stymulację.
- Ocena efektów głębokiej stymulacji mózgu w różnych punktach docelowych.
- Pogłębienie zrozumienia funkcji i łączności mózgu.
Zastosowane metody
- Stereotaktyczna implantacja elektrod
- Akwizycja funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI)
- Analiza odpowiedzi funkcjonalnych
- Mapowanie aktywności mózgu
Główne wyniki
- Identyfikacja obszarów mózgu aktywowanych przez stymulację.
- Charakterystyka zmian w łączności funkcjonalnej.
- Wnioski dotyczące dynamiki wzorców odpowiedzi mózgu.
- Potencjalne zastosowania w zrozumieniu zaburzeń neurologicznych.
Wnioski
- Metoda ta stanowi potężne narzędzie w badaniach z zakresu neuronauki.
- Umożliwia ona badanie funkcji mózgu w czasie rzeczywistym.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tym podejściu w celu uzyskania głębszych spostrzeżeń.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Jednoczesna głęboka stymulacja mózgu i fMRI u gryzoni umożliwia precyzyjne mapowanie modulacji obwodów neuronalnych, wspierając walidację celów oraz ograniczanie ryzyka mechanistycznego w rozwoju terapii neuromodulacyjnych. Podejście to zapewnia ilościowe odczyty z całego mózgu, które zwiększają pewność prognostyczną w przedklinicznych badaniach DBS poprzez powiązanie parametrów stymulacji z odpowiedziami sieci funkcjonalnych. Rozwiązuje ono krytyczną lukę w przekładaniu przedklinicznych danych o stymulacji na projekt badań klinicznych, oferując bezstronne, systemowe wglądy w kaskadowe efekty neuronalne.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez mapowanie neuronalnych odpowiedzi następczych na stymulację konkretnych celów, takich jak jądro podwzgórzowe.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego dzięki funkcjonalnym odczytom całego mózgu, które wyjaśniają zaangażowanie szlaków oraz efekty poza docelowe.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność co do wyboru celu poprzez korelację parametrów stymulacji z mierzalnymi odpowiedziami BOLD w obwodach istotnych dla danej choroby.
Przesiewy i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane obwody neuronalne do oceny związków poprzez ustalenie bazowej łączności funkcjonalnej i profili odpowiedzi wywołanych stymulacją.
- Wynik ilościowy: Generuje powtarzalne pomiary procentowej zmiany sygnału na poziomie wokseli, co umożliwia optymalizację parametrów stymulacji oraz zależności dawka-odpowiedź.
- Ponowne wykorzystanie platformy: Ustanawia zestandaryzowany przepływ pracy dla oceny efektów neuromodulacyjnych w wielu celach mózgowych, wspierając skalowalne kampanie przesiewowe.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla patologii: Modeluje ludzkie cele DBS, takie jak STN w chorobie Parkinsona, umożliwiając przedkliniczną ocenę skuteczności stymulacji i modulacji sieci.
- Ciągłość translacyjna: Łączy fazę odkrywczą z fazą przedkliniczną, dostarczając obrazowych biomarkerów zaangażowania celu oraz zmian w łączności funkcjonalnej.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Wspiera decyzje o kontynuowaniu lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez ilościowe określenie spójności i specyficzności odpowiedzi neuronalnych w różnych paradygmatach stymulacji.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z procesem badawczym, umożliwiając wczesną weryfikację hipotez dotyczących obwodów w ramach walidacji celów, przechodząc następnie do optymalizacji testów pod kątem przesiewowym oraz wspierając walidację przedkliniczną poprzez powtarzalne odczyty funkcjonalne.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez mapowanie indukowanej stymulacją aktywności mózgu w połączonych obszarach.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzację testów dzięki spójnemu rozmieszczeniu elektrod, paradygmatom stymulacji oraz ilościowej analizie sygnału BOLD.
- Analityka: Dostarcza mapy współczynników korelacji i wskaźniki procentowej zmiany sygnału, które pozwalają na porównania między warunkami oraz statyczną ocenę modulacji sieci.
- Badania translacyjne: Łączy się z walidacją przedkliniczną poprzez identyfikację sieci reagujących na stymulację, które są zgodne ze znanymi obwodami terapeutycznymi w modelach chorób.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę neuroobrazowania do oceny różnych celów neuromodulacji i parametrów stymulacji w ramach wielu projektów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zapewnia pewność prognostyczną w zakresie modulacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej dzięki funkcjonalnemu mapowaniu całego mózgu.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki standaryzowanym protokołom znieczulenia, monitorowaniu fizjologicznemu oraz konstrukcji elektrod minimalizującej artefakty.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez powiązanie parametrów stymulacji z mierzalnymi odpowiedziami sieciowymi, co redukuje ryzyko biologiczne na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację celów neuromodulacji z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o zwalidowaną łączność funkcjonalną i specyficzność odpowiedzi.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu chirurgii stereotaktycznej, fizyki MRI oraz elektrofizjologii w celu zapewnienia dokładnego umieszczenia elektrod i kontroli artefaktów.
- Zależy od sprzętu do stymulacji kompatybilnego z MRI, systemów monitorowania fizjologicznego oraz spersonalizowanych potoków analizy obrazu.
- Konieczna jest standaryzacja paradygmatów stymulacji, składów koktajli anestetycznych oraz utrzymywania parametrów fizjologicznych pomiędzy różnymi ośrodkami.
- Wymaga uwzględnienia modyfikacji dla różnych celów w mózgu, co wiąże się z koniecznością ponownej kalibracji współrzędnych stereotaktycznych i walidacji rozmieszczenia elektrod.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak pozostałe artefakty indukowane przez elektrody oraz wpływ środków znieczulających na sprzęganie neuronaczyniowe, które muszą zostać uwzględnione w interpretacji danych.
