Målet med denna teknik är att utvärdera serotonin (5-HT) neurotransmittorfunktion i levande och fri-andning djur med farmakologisk magnetisk resonanstomografi (phMRI) och en intravenös utmaning med en selektiv serotoninåterupptagshämmare (SSRI), fluoxetin.
Farmakologisk MRI (phMRI) är en ny och lovande metod för att studera effekterna av ämnena på hjärnans funktion som i slutändan kan användas för att reda ut bakomliggande neurobiologiska mekanismer bakom narkotika åtgärder och neurotransmittor-relaterade störningar, såsom depression och ADHD. Liksom de flesta av de avbildningsmetoder (PET, SPECT, CT) den representerar ett framsteg i utredningen av sjukdomar i hjärnan och den därmed sammanhängande funktion neurotransmittor vägar på ett icke-invasivt sätt med avseende på den totala nervkopplingar. Dessutom är det ger också det perfekta verktyget för översättning till kliniska undersökningar. MRI, medan den fortfarande kvar i molekylära diagnostisk radiologi för jämfört med PET och SPECT, har den stora fördelen att ha en hög spatial upplösning och inget behov för insprutning av en kontrast-medel eller radio-märkta molekyler, och därigenom förhindra att upprepad exponering för joniserande strålning . Funktionell MRI (fMRI) används i stor utsträckning i forskning och klinisk miljö, där det är generally kombinerat med en psyko-motor uppgift. phMRI är en anpassning av fMRI möjliggöra granskning av ett enskilt signalsubstans, såsom serotonin (5-HT), under fysiologiska eller patologiska tillstånd efter aktivering via administrering av en specifik utmanande läkemedel.
Syftet med den här beskrivna metoden är att utvärdera hjärnan 5-HT-funktionen, i fri-andning djur. Genom att utmana det 5-HT-systemet samtidigt förvärva funktionell MR bilder över tiden, kan svaret i hjärnan på denna utmaning visualiseras. Flera studier på djur har redan visat att läkemedelsinducerade ökningar i extracellulära nivåer av t ex 5-HT (släppmedel, selektiva SSRI-blockerare, etc.) frammanar region-specifika förändringar i blodets syresättning nivåberoende (BOLD) MRI signaler (signal på grund av till en förändring av de oxygenerade / syrefattigt hemoglobin som inträffar under hjärnan aktivering genom en ökning av blodtillförseln att tillföra syre och glucose de krävande neuroner) tillhandahålla ett index av neurotransmittorfunktion. Det har också visat sig att dessa effekter kan reverseras genom behandlingar som minskar 5-HT tillgänglighet 16,13,18,7. Hos vuxna råttor, har FET signalförändringar efter akut administrering SSRI har beskrivits i flera 5-HT-relaterade hjärnregioner, dvs kortikala områden, hippocampus, hypotalamus och thalamus 9,16,15. Stimulering av 5-HT och dess svar på denna utmaning kan därmed användas som ett mått på dess funktion i både djur och människor 2,11.
5-HT phMRI är en lovande verktyg för att utvärdera neurotransmittorfunktion i djur in vivo. Det visualiserar hjärnan svar på en 5-HT utmaning med funktionell MR. MRT har den stora fördelen att ha en hög spatial upplösning och att inte behöva injektionen av kontrast-medel eller radio-märkta molekyler på så sätt undvika den upprepad exponering för joniserande strålning. Denna teknik är tillämpbar i både människa och djur ämnen och därför mycket lämplig för translationell forskning av neurotransmittor system och psykiska störningar. Dess tillämpning är naturligtvis inte begränsad till 5-HT vägen och har redan använts i stor utsträckning för att bedöma effekterna av dopaminerga läkemedel i både djur 5,15 och människor 22.
Icke desto mindre är phMRI i små djur utmanande, som redan påpekats i översiktsartiklar av Martin och Sibson 11 och Steward 20. En av dessa utmaningar är att upprätthålla of stabila fysiologiska parametrar under bilden förvärvet. De flesta anestetika kan förändra kardiovaskulär funktion och eftersom phMRI är kritiskt beroende av kardiovaskulära / hemodynamiska parametrar är det viktigt att se till att alla hemodynamiska förändringar enbart tillskrivas den givna läkemedlet utmaningen. Det är därför oerhört viktigt att PCO2 nivåer vara konstant under baslinjen förvärvet. Mekanisk ventilation kan bidra till att säkerställa fysiologiska stabilitet och används ofta i denna typ av experiment. Vi valde dock att använda gratis-andning djuren att lämna möjligheten öppen att genomföra longitudinella studier i framtiden. Istället kontrolleras vi omfattande (och förändrad) andningsfrekvens och blodvärden gas för att säkerställa fysiologisk stabilitet inom de normala intervallen före start av den funktionella skanna och på så sätt att bevara en stabil vaskulär reaktivitet och därmed T2 * / T2 signal. Litteratur om effekterna av narkosmedel på cerebrala hemodynamiken och metabolism är riklig 20 och utanför ramen för detta manuskript. Vi valde att använda gas-anestesi med ± 2% isofluran i detta specifika protokoll, eftersom med inhalationsanestetika, kan djupet av anestesi vara snabbt och enkelt styras. Detta är viktigt i vår inställning att säkerställa normala stabila PCO2 nivåer före start av bilden förvärvet. Isofluran är den vanligaste inhalationsmedel narkos idag och möjliggör snabb induktion och återhämtning, vilket är viktigt för longitudinella studier. Det ger också minimal kardiovaskulär och respiratorisk depression och inducerar en god avslappning av muskler.
För det andra är den intravenösa administrationen av den utmanande läkemedlet mer komplicerad i små djur än hos människor. Operationen som behövs för kanylering av den femorala artär och ven kräver välutbildad och erfaren personal. På grund av dessa ingrepp är det just nu främst i terminal förfaranden. Emellertid kan icke-invasiv övervakning av blod homeostas och svansveninjektion användas för longitudinella studier 23.
Dessutom finns det några mer generella begränsningar tekniken, som inte är specifika för djur phMRI. Dessutom, såsom påpekats av Martin och Sibson 11 är en potentiell förväxla av alla fMRI studier att det antas att de förändringar i hjärnans aktivitet som framkallas av utmaningen återspegla förändringar i neuronal aktivitet snarare än perifera systemiska effekter. Särskilt i djupare hjärnstrukturer fortfarande en relativt dålig förståelse för neurovaskulära koppling (förhållandet mellan neuronala aktivitet förändringar och hemodynamiska förändringar). Studier av den typ som utförs av Logothetis 10 för att bestämma neurovaskulära koppling i cortex har ännu inte utförts på andra delar av hjärnan. Det är därför okänt vad en ökning med fet stil signalen i viktiga strukturer, striatum eller amygdala är telling oss om neuronal aktivitet. Det bästa vi kan säga just nu är att hjärnan regionen reagerar på den givna utmaningen och att beroende på behandling och / eller villkor, kan vi övervaka stora förändringar i hjärnan reaktivitet. Detta kan till stor del kontrolleras genom att titta på både MR data och fysiologiska reaktioner. Det allmänna mönstret för hjärnans aktivering bör vara region specifik och begränsad till områden med, i detta fall, en hög 5-HT innervation, och inte så mycket en allmän vaskulär svar. Dessutom är en annan tidsprofil mellan vaskulära och hemodynamiska förändringar förväntas. De blodtrycksförändringarna återgår till det ursprungliga värden inom några minuter, är effekten av läkemedlet på BOLD aktivering i fallet med fluoxetin synlig fram till slutet av bilden förvärvet och svarar mot de känner farmakokinetiska egenskaperna hos detta läkemedel. Slutligen bör de fysiologiska svaren från samtliga djur vara lika för att göra inter-individuell jämförelser. Nonetheless är det känt att en neurogen reglering av den lokala blodflödet av 5-HT finns 4. Därför kan det inte uteslutas att de lokala ändringarna i FET-signalen kan hänföra till vaskulära förändringar på grund av frisättning av 5-HT vid den närhet av kärl. Även om dessa effekter inte är associerade med lokal neuronal aktivering och kan således betraktas som falska positiva resultat, är det också ett index på den totala specifika funktionen hos 5-HT-systemet (se även 3).
Kritiska steg i denna teknik är därför att övervaka fysiologiska reaktioner omfattande och att se till att de fysiologiska villkoren för djuret är stabila före och under bilden förvärvet. Också scanner betingelser bör vara så stabil som möjligt och exakt desamma för varje djur. Signal stabiliteten i din sekvens ska kontrolleras och bekräftas innan start experimentet. Dessutom, se till att alltid ha tillräckligt stor statistisk styrka, även med små föremål Groups. För en trevlig recension om experimentella överväganden av animaliskt phMRI i allmänhet, se Steward 20 och för ett ytterligare exempel på en experimentell protokoll för farmakologisk fMRI hos råttor och möss, se Ferrari 5.
Eventuella ändringar av teknik som beskrivs här är många. Man skulle:
Vilka val du gör i den experimentella uppställningen är starkt beroende av möjligheterna av och / eller erfarenhet inom din lab och vilken typ av frågeställning du skulle vilja svara.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete finansieras av Nederländerna organisationen för vetenskaplig forskning (NWO) (Veni nr. 916.86.125), tilldelas L. Reneman. Den finansiär hade ingen roll i studiedesign, datainsamling och analys, beslut att publicera, eller beredning av manuskriptet. Det finns inga intressekonflikter.
Name of the reagent/equipment | Company | Catalogue number | Comments |
Isoflurane | ABBOTT Abbott Laboratories Ltd.,Maidenhead, UK |
No B506 | Mix with medical air |
Medical air | BOC Healthcare | ||
Heating pad | Harvard apparatus | 507223F Complete Homeothermic Blanket System with Flexible Probe, Medium, 230 VAC, 50 Hz |
|
Silk ligature | http://www.harvardapparatus.com/ | 2-0 black braided silk non-absorbable Cat Num 51-7631 |
|
PE-50 Cannula | http://www.scientificlabs.co.uk/ | Portex Tubing PE 0.58×0.96mm | 0.58 ID 0.96 OD mm |
Heparin sodium | Leo laboratories Ltd, Bucks., UK | Heparin sodium 1000IU/ml | 15 U/ml |
Vetbond Tissue Adhesive | 3M | M Vetbond Tissue Adhesive | |
Monitoring system | SA Instruments | http://www.i4sa.com Model 1025L monitoring system |
Monitors respiration and temperature |
Pressure transducer | Biopac Systems Corp | BLOOD PRESSURE TRANSDUCER – TSD104A MP150 DATA ACQUISITION SYSTEM – WIN – MP150WSW |
Monitors blood pressure |
RapidLab blood gas analyzer | Siemens Diagnostics | RAPIDLab 248/348 Systems | |
4.7T animal scanner | Agilent Technologies (previously Magnex) 4.7T frequency 199.845 MHz |
||
MR compatible stereotactic bed | m2m Imaging Corp | Rat bed: PA Multi element AHS 50-72-1003/100 | |
Coil | m2m Imaging Corp | Volume TH/Rx RQD1 72/112 200 |
|
Fluoxetine Hydrochloride | Sigma-Aldrich | F-132 | 5mg/kg in saline |