Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Medicine

Het gebruik van Farmacologische fMRI-uitdaging in de Pre-klinisch onderzoek: Toepassing op de 5-HT-systeem

doi: 10.3791/3956 Published: April 25, 2012

Summary

Het doel van deze techniek is om serotonine (5-HT) neurotransmitter functie beoordelen in het leven en gratis-ademende dier met farmacologische magnetic resonance imaging (phMRI) en een intraveneuze uitdaging met een selectieve serotonine heropname remmers (SSRI's), fluoxetine.

Abstract

Farmacologische MRI (phMRI) is een nieuwe en veelbelovende methode om de effecten van stoffen op de hersenen die uiteindelijk kan worden gebruikt om de onderliggende neurobiologische mechanismen achter werking van het geneesmiddel en de neurotransmitter-gerelateerde aandoeningen, zoals depressie en ADHD te ontrafelen bestuderen. Zoals de meeste van de beeldvormende technieken (PET, SPECT, CT) het een vooruitgang in het onderzoek naar hersenaandoeningen en de daarmee verband houdende functie van de neurotransmitter paden in een niet-invasieve manier met betrekking tot de totale neuronale connectiviteit. Bovendien biedt ook de ideale tool voor vertaling naar klinisch onderzoek. MRI, terwijl achter in de moleculaire strategieën opzichte PET en SPECT, het grote voordeel van een hoge ruimtelijke resolutie en behoeft de injectie van een contrast-middel of radio-gelabelde moleculen, waarbij wordt vermeden herhaalde blootstelling aan ioniserende straling . Functionele MRI (fMRI) wordt veel gebruikt in onderzoek en klinische omgeving, waar het generally in combinatie met een psycho-motorische taak. phMRI is een bewerking van fMRI waardoor het onderzoek van een specifieke neurotransmitter-systeem, zoals serotonine (5-HT), onder fysiologische of pathologische omstandigheden na activering via toediening van een specifieke uitdagende drug.

Het doel van de hier beschreven methode is brain 5-HT functie beoordelen vrije ademende dieren. Door tegen de 5-HT-systeem, terwijl tegelijkertijd het verwerven van functionele MR-beelden in de tijd, kan de reactie van de hersenen om deze uitdaging worden gevisualiseerd. Verschillende studies bij dieren hebben al aangetoond dat door drugs veroorzaakte toename van de extracellulaire spiegels van bv 5-HT (het vrijgeven van agenten, selectieve heropname blokkers, etc) regio-specifieke veranderingen in het bloed zuurstof niveau op te roepen dependent (BOLD) MRI-signalen (signaal door tot een wijziging van de zuurstofrijk / zuurstofarme hemoglobine die tijdens hersenactiviteit door middel van een verhoging van de bloedtoevoer naar de zuurstof en g leverenlucose aan de veeleisende neuronen) het verschaffen van een index van neurotransmitter functie. Het is ook aangetoond dat deze effecten kan worden omgekeerd door de behandelingen die daling van 5-HT beschikbaarheid 16,13,18,7. Bij volwassen ratten zijn BOLD signaal verandert na acute SSRI toediening is beschreven in een aantal 5-HT gerelateerde gebieden van de hersenen, dat wil zeggen corticale gebieden, hippocampus, de hypothalamus en de thalamus 9,16,15. Stimulatie van 5-HT systeem en antwoord op dat kan derhalve worden gebruikt als een maat voor de functie in dieren en mensen 2,11.

Protocol

Voorbereiding dier voor in vivo MRI

1. Chirurgische Cannulatie

  1. Verdoof de rat (mannelijke Wistar rat, 200-300 g) met isofluraan (5% inductie en vervolgens gereduceerd tot 1,5-2% voor onderhoud van de anesthesie bij dieren voorbereiding en scannen) die in medische lucht (21% O 2, BOC Verenigd Koninkrijk) . Zorg ervoor dat het dier goed verdoofd en vertoont geen reactie op een teen knijpen. De femorale slagader en ader worden gecanuleerd voor bloed gas-en bloeddrukmetingen en toediening van het geneesmiddel uitdaging respectievelijk. Tijdens de chirurgische ingreep, wordt het dier de lichaamstemperatuur gecontroleerd en onderhouden door middel van een rectale sonde en een thermische deken (Harvard toestellen).
  2. De verdoofde dier wordt geplaatst op een warming-pad onder een stereomicroscoop in dorsale decubitus. Scheer het midden van de dij en veeg de huid met alcohol. Maak een 2 cm incisie in de huid langs de vouw gevormd door de buik en de rechterdij.Stompe dissectie van de adductoren wordt gebruikt om de femorale slagader, ader en de femorale zenuw te visualiseren. Scheid voorzichtig de schepen.
  3. Voorzichtig volledig binden een zijde ligatuur rond het distale einde van het vat en plaats een band met de helft van een chirurgische knoop los in de proximale site. Trekken aan zowel ligaturen de bloedstroom omsluiten de resterende middengedeelte van het vat liggen tussen de ligaturen. Een kleine insnijding van ongeveer een derde van het vaartuig omtrek van dit gedeelte van het vat om het inbrengen van een PE-50 canule (0,54 mm inwendige diameter en 0.96mm externe diameter bij mannelijke ratten anders 0,40 mm ID en 0,80 mm ED) in het vat.
  4. De canule worden geplaatst enkele mm (ten minste 5) in het vat. Zodra in de holte, spoelen een kleine hoeveelheid gehepariniseerde zoutoplossing (15 UI / ml) door het vat aan elke vorming van bloedstolsels te voorkomen. De proximale zijde lus wordt ook volledig geligeerd aan de canule op te lossen. REPEAT deze procedure voor de tweede schip. Lijm de huid met een Vetbond Weefsellijm (3M Britse plc, Bracknell, Verenigd Koninkrijk) wanneer beide canules op hun plaats zitten. Zie figuur 1 voor de exacte plaatsing van de canules.
  5. Plaats het dier in een MR-compatibele stereotactische bed (M2M Imaging Corp, USA) in een horizontale positie. Houd de kop van het dier door middel van het inbrengen van oor bars en een tand bar. Op dit punt kan het dier worden geplaatst in de MRI-scanner voor beeldvorming. Het dier blijft onder narcose gebracht en is vrij ademen gedurende de gehele beeldvorming procedure.

2. Monitoring

Gedurende de gehele beeld procedure moeten verschillende fysiologische reacties continu worden bewaakt en worden zo constant mogelijk is. Dit is noodzakelijk omdat deze reacties kunnen sterk variëren hetzelfde tijdsinterval als phMRI signaal en invloed op het signaal van belang. Het is ook belangrijk, aangezien het dier worden geplaatst in de magnet en is daardoor uit het zicht en niet vatbaar voor standaard controles van de narcose diepte (bv. teen knijpen), voor het waarborgen van een adequate verdoving diepte. Daarbij komt nog dat veel medicijnen cardiovasculaire parameters zoals bloeddruk te veranderen, een meting van deze is van cruciaal belang om ervoor te zorgen rekening kan worden gehouden van de wereldwijde fysiologische gevolgen van de actie van het geneesmiddel in de phMRI gegevens. Zie ook rubriek 4 voor de uitgangswaarden en de te verwachten reacties op de infusie van 5 mg / kg fluoxetine.

  1. Lichaam temperatuur op 37 ± 1,5 ° C door een warme lucht verwarmingssysteem (SA Instruments, New York, USA). Wees ervan bewust dat MRI kan de temperatuur meting van invloed zijn, controleer dit met uw eigen systeem.
  2. Controleren en vastleggen van het dier ademhaling met behulp van een respiratoire manchet gekoppeld aan druksensor (SA Instruments, New York, USA).
  3. Neem invasieve arteriële bloeddruk met behulp van een druksensor (TSD104A, Biopac Systems Corp, USA) en op gezette tijden trekt eenzou analyseren van arteriële bloed gas monsters (RapidLab, Siemens diagnostische) via de gecanuleerde femoralis tijdens de beeldvorming van de arteriële pCO 2 en partiële druk van zuurstof (pO 2) te bewaken.
  4. Gebruik de gecanuleerde femorale ader als de belangrijkste infuuslijn voor de farmacologische challenge (fluoxetine (fluoxetine hydrochloride van Sigma-Aldrich, Verenigd Koninkrijk)-oplossing, 5 mg / kg, opgelost in een zoutoplossing).

In vivo beeldvorming

Een schematische weergave van de experimentele opstelling fMRI is in figuur 2.

3. Afbeeldingsparameters

  1. Als het dier eenmaal is geplaatst in de scanner en blijft om te laten zien stabiele fysiologische reacties, kan beeldvorming te starten. In onze studies hebben we gebruik gemaakt van een 4,7 T MRI-systeem voor kleine dieren (Agilent Technologies) met een cilindrische kwadratuur zend / RF-spoel met 72 mm binnendiameter (M2M Imaging Corp, USA) te ontvangen. Maak een drie vliegtuig scout afbeelding om de juiste pSTANDPUNT de hersenen in het midden van de MRI-gezichtsveld en gebruik maken van lokale shim correctie (fastmap volgorde) om het magnetisch veld homogeniteit in de hersenen te verbeteren.
  2. Voor elk dier in de eerste verwerven van een T2-gewogen anatomische afbeelding volume voor registratie en segmentatie doeleinden. We gebruikten een spin-echo sequentie turbo echo treinen = 8; matrix formaat = 256 x 256; FOV = 50 x 50 mm 2, waartussen verkrijging van 30 opeenvolgende segmenten met een corona mm, gecentreerd 8 mm caudaal de achterrand van de bulbus olfactorius; gemiddelden = 4; TR / TE = 5112/60 ms.
  3. Zorg ervoor dat het dier zijn fysiologische reacties zijn constant voor aanvang van de phMRI scan. Voor de tijdreeks overname hebben we gebruik gemaakt van dezelfde T2-gewogen turbo spin echo sequentie met echo lengte van de trein = 16; matrix size = 128 x 128, met interleaved overname van 20 aaneengesloten plakjes met 1 mm dik gecentreerd op dezelfde plaats; TR / TE = 4915/60 ms. In totaal hebben we 32 tijd verworven punten met een acquisition tijd van 158 seconden per tijdreeksen volume en een totale scan tijd van 84 min.. Het eerste deel wordt gebruikt als een "dummy scan T1 verzadigingseffecten pakken en niet in de analyse. Andere fMRI sequenties zoals gradient echo of echo planaire beeldvorming (EPI) sequenties kunnen ook worden gebruikt. Zorg ervoor dat het signaal stabiliteit van uw volgorde van keuze te beoordelen voor aanvang van uw experiment.
  4. Het verwerven van een aantal van de baseline volumes, vóór de toediening van de uitdaging medicatie. Wij stellen voor ten minste 10 minuten van de baseline-acquisitie onder stabiele omstandigheden. Start de infusie op precies hetzelfde moment voor alle dieren. In onze protocol begonnen we toediening aan het begin van de 9de volume (na ongeveer 21 min basislijn scanning). Na infusie beeldopname nog 60 minuten (32 delen in totaal). Zorg ervoor dat de post-infusie periode lang genoeg is om veranderingen te visualiseren en tot de steady state of nuttige toepassing van het signaal te bereiken, afhankelijk van uw onderzoek Questien uw keuze van het geneesmiddel uitdaging.
  5. Wanneer het beeld overname wordt voltooid, verwijdert u het dier van de scanner. Voer een laatste bloedgas meting om de stabiliteit van de bloedgas parameters te waarborgen en de evaluatie van de effecten van geneesmiddelen op basis fysiologie mogelijk te maken.

Gegevensverwerking

4. Fysiologische reacties

Verwacht fysiologische reacties op de uitdaging afhankelijk van de gekozen geneesmiddel. Hieronder worden algemeen aanvaarde uitgangswaarden (van volwassen mannelijke ratten) en de verwachte reacties op de iv infusie van 5 mg / kg fluoxetine gegeven.

  1. Ademhaling moet stabiel zijn bij 45-75 ademhalingen / minuut. De farmacologische uitdaging van fluoxetine leidt tot een korte stijging (15-20%) in ademhaling.
  2. De bloeddruk moet constant zijn en tussen de 100-150 mmHg (Biopac Systems Corp, Goweta, USA). De fluoxetine uitdaging leidt tot een korte maar steile daling van ongeveer 20% van de arteriële bloeddruk.Dit moet herstellen binnen 5-10 minuten. Dit is weergegeven in figuur 3.
  3. Bloedgaswaarden moet stabiel zijn (maatregel ten minste twee keer) en binnen de volgende grenzen voor aanvang van de phMRI scan: pCO 2, 35-45 mmHg; PO 2, 80-130 mmHg; pH, 7.35-7.45. Altijd opnieuw te controleren deze waarden na het scannen om te zien of het dier bleef stabiel en de evaluatie van de effecten van geneesmiddelen op basis fysiologie mogelijk te maken. Hoge pCO 2 waarden zal leiden vasodilatatie en zal dus voorkomen dat u BOLD-signaal verandert.
  4. Zorg ervoor dat het dier onder een continue en constante niveau van anesthesie (2 ± 0,25%, hogere niveaus kunnen depressie van cerebrovasculaire reactiviteit en lagere onvoldoende verdoving en dus beweging veroorzaken), voor aanvang van de phMRI scan-en belangrijker nog, te voorkomen alle wijzigingen in de anesthesie regime (bv% isofluraan en / of gas flow) tijdens de functionele beeld overname als deze kan ook van invloed op de BOLD signaal.

Beschrijven we een aantal stappen in de voorbehandeling van de MR gegevens om de gegevens voor statistische analyse optimaliseren. We noemen de instrumenten die worden gebruikt in ons lab, ongeacht het aantal verschillende tools beschikbaar zijn.

5.1 Voorbereiding van gegevens

  1. Zet de RAW-afbeeldingen in de juiste bestandsformaat voor de MRI-analyse software die u wilt gebruiken (NIfTI1.1 of Analyze7.5 formaat voor FSL-programma's). Verschillende gratis file converter programma's zijn online beschikbaar. Afhankelijk van de gebruikte scanner, kan het nodig zijn om eerst de bouw van een 3D (anatomische scan) of 4D (phMRI scan) beeld van alle afzonderlijke 2D plakjes. Dit kan met een beeldbewerkingsprogramma zoals ImageJ 1.
  2. Om verenigbaarheid met algoritmen voor gebruik met menselijke data (bijvoorbeeld FSL's), voxelgrootte moet worden vermenigvuldigd met een factor 10 (dit kan ook met bijvoorbeeld ImageJ). In onze studie, resulteerde dit in een voxel grootte van 3,91 x 3,91 x 10 mm 3.
  3. Visuele controle van je foto's voor onregelmatigheden in de oriëntatie, artefacten, en beweging. Zorg dat er geen scans te gebruiken, met duidelijke artefacten of overmatige beweging in uw analyses want zij zullen vervormen je resultaten.
  4. Oriëntatie van alle scans moeten vergelijkbaar zijn tussen de anatomische en functionele beelden en in overeenstemming met de gebruikte referentie-hersenen. In onze studie hebben we de stereotactische hersenen van de rat model beschreven door Schwarz 14. De FSL commando fslswapdim kan worden gebruikt voor heroriëntatie.

5,2 Motion correctie

  1. Om te corrigeren voor elke beweging artefacten in de 4D tijdreeksen, gebruikten we de beweging correctie hulpmiddel McFlirt (Motion-correctie met behulp van lineaire afbeelding FMRIB's Registration Tool, een onderdeel van Software FMRIB's Library, www.fmrib.ox.ac.uk / FSL ). MCFLIRT is een intra-modale motion correctie gereedschap designed voor gebruik op fMRI tijdreeksen en op basis van optimalisatie en registratie technieken die in FLIRT, een volledig geautomatiseerde tool voor lineaire (affiene) inter-modale hersenen beeldregistratie. Altijd achteraf te controleren of het resultaat bevredigend is.

5.3 Brain segmentatie

  1. Verwijder alle niet-hersenweefsel van een beeld van de hele kop, zowel voor de 4D tijdreeks als de 3D anatomische afbeelding. Hiervoor hebben we de FSL gereedschap BET (Brain Extraction Tool v. 2.1, onderdeel van Software FMRIB's Library, www.fmrib.ox.ac.uk / FSL ). De standaardinstellingen zijn ontwikkeld voor gebruik met de menselijke hersenen en zijn dus niet ideaal voor hersenen van de rat. We hebben de volgende parameters: fractionele intensiteit drempel, f = 1,0; verticale gradiënt in fractionele intensiteit drempel g = 0,1 en kop straal (in mm), r = 175 de meeste dieren. Indien nodig, kunt u optimaliseren van deze waarden per onderwerp.

6. Gegevens Analysis

Doel van de statistische analyse van de MR data is het bepalen van de voxels die extra variantie toe te schrijven aan de drug uitdaging in een statistisch robuuste wijze tentoon te stellen. Verschillende methodologische benaderingen zijn beschikbaar voor deze, zelfs als telbaar softwarepakketten. De keuze die u maakt is afhankelijk van de beschikbaarheid van software en kennis / ervaring op het lab en uw specifieke vraagstelling. Hier geven we een voorgestelde methode wordt gebruikt in ons lab.

6,1

  1. Voor het analyseren van de MRI-gegevens, bepalen van een algemeen lineair model (GLM) waarnaar de gegevens worden gemonteerd. Dit kan een eenvoudige vierkante on-off model (off voor pre-drug en voor post-infusie van het geneesmiddel) of een specifiek model op basis van de gegevens. Wij hebben gebruik gemaakt van het programma Stimuleren van 21 tot en met een data-based GLM model te bepalen.
  2. Uitvoeren van een twee-sample T-test (bijvoorbeeld stimuleren) alle basislijn volumes tegen alle post-challenge volumes. Optioneel, laat out het eerste volume (s) en het volume waarin de uitdaging wordt gegeven, omdat deze misschien niet de steady-state beeldvorming. Vervolgens discrimineren alle voxels met meer dan een bepaald% verandering tov de uitgangswaarde. We hebben allemaal voxels gebruikt met meer dan 1% verandering.
  3. Vervolgens gemiddelde tijdsverloop in deze voxels, die reeds geeft een indruk van de vorm van het model. Op deze wijze kan worden vastgesteld of de uitdaging 1) onmiddellijk of vertraagde werking, 2) wanneer het effect van een plateau en / of piek en 3) of wanneer, het effect weer daalt tijdens het tijdsverloop van de bereikt te scannen. Voorbeelden zijn in figuur 4A en 4B.

6,2

De volgende stap is dan om statistisch te testen de ruwe 4D tijdreeksen beeld van elk dier ten opzichte van de vorige opgericht GLM-model. Hiervoor gebruikten we de FSL-programma FEAT (fMRI Expert Analysis Tool, v5.98) 17,24. Echter, andere fMRI analyse-instrumenten zijn beschiklijk ook. Binnen de analyse-instrument, een eerste niveau analyse moet worden opgezet. Dit vereist de volgende stappen:

  1. Zorg ervoor dat u dezelfde instellingen te gebruiken voor elk dier. U kunt ervoor gekozen om de eerste (twee) delen te verwijderen voor de analyse, omdat de steady-state beeldvorming kan nog niet worden bereikt op dat punt. Stel de TR, dit is de tijd (in seconden) tussen het begin van elke opeenvolgende volume. Omdat u zoekt op effecten die de hele scan tijd zou kunnen duren, is er geen noodzaak om een ​​hoge of lage pass filter in te stellen.
  2. Ruimtelijk glad de gegevens om geluid te verminderen en het verbeteren van de signaal-ruis (SNR) verhouding. We hebben gekozen voor een FWHM kern van 8 mm.
  3. Nu voert u de gewenste GLM-model van uw gegevens. Dit is uw belangrijkste verklarende variabele (EV), dat wil zeggen de golfvorm u het testen van uw gegevens tegen. De GLM dat werd bepaald op basis van onze data weergegeven in figuur 4C. Ook de mogelijkheid van verwarren toevoeging van extra EV zoals beweging parameters,laagfrequent geluid (scanner drift) of zelfs fysiologische parameters zoals bloeddruk om algemene fysiologische drugs-effecten te verwijderen.
    Binnen FEAT: Gebruik FILM prewhitening. Voeg tijdelijke derivaat. In de Contrasten & F-toetsen tab, het opzetten van een contrast. Om een enkele EV om te zetten in een Z statistiek beeld, stelt u het contrast waarde op 1. Dit geeft je alle voxels waarin het tijdsverloop hiervan aanzienlijk kan worden verklaard door de GLM. De waarde tot -1 zal de negatieve activering.
  4. Na het uitvoeren van de eerste statistische toets, de daaruit voortvloeiende statistiek beeld moet worden thresholded te laten zien welke voxels of clusters van voxels worden geactiveerd op een bepaald significantieniveau. Meervoudige vergelijkingen correctie vanwege het grote aantal geteste hersenen voxels nodig. Het FSL programma FEAT maakt gebruik van een geautomatiseerd cluster op basis van meerdere vergelijkingen correctie op basis van de GRF (Gaussian Random Field) theorie 25.
  5. Tenslotte moeten de gegevens ruimtelijk genormaliseerd naar een referentiebeeld, zodat groep statistische voeren. Eerst registreren gegevens functionele brein de dieren geëxtraheerd anatomische beeld en vervolgens het referentiebeeld. We gebruikten de stereotactische hersenen van de rat model beschreven door Schwarz 14 als referentie hersenen.
  6. Hierna kan het eerste niveau analyses van alle dieren worden gecombineerd hoger (groepen) statistische analyses. Dit is sterk afhankelijk van uw eigen studie design en onderzoeksvragen.

6,3

Hierna kan het eerste niveau analyses van alle dieren worden gecombineerd hoger (groepen) statistische analyses. Dit is sterk afhankelijk van uw eigen studie design en onderzoeksvragen.

6,4

Fysiologische geneesmiddel reacties kunnen worden gekoppeld of gecorreleerd met de MR, indien gewenst. Zie ook paragraaf 6.2.3 over het toevoegen van beschamen EV's.

7. Representatieve resultaten

ove_content "> Als de uitdagende drug (5 mg / kg iv fluoxetine) het vasculaire systeem binnenkomt, moet een duidelijke fysiologische reactie zichtbaar zijn in de ademhaling (omhoog) en de bloeddruk (omlaag). Deze reacties normaliseren gemiddeld binnen 5-10 min . In figuur 3 bloeddrukverlaging duidelijk zichtbaar.

De gemiddelde signaal tijdsverloop moet blijken een relatief stabiele basislijn en een duidelijk effect van de uitdaging. Bij voorkeur dient er geen probleem onafhankelijk drift in het signaal. Een representatief voorbeeld van een gemiddelde signaal tijdsverloop te zien in fig. 5A. Artifacts, zoals ademhaling depressie / falen of veranderingen in de anesthesie zijn vaak duidelijk zichtbaar in het signaal. Ademhalingsdepressie een negatieve invloed op het signaal in de hele hersenen. Dit is te zien in figuur 5B.

Na het eerste niveau analyse wordt de activering patroon naar verwachting overwegend positief en locatieTed in bepaalde regio's alleen (dat wil zeggen corticale gebieden, hippocampus, de hypothalamus en de thalamus, zie figuur 6A). Als de hele hersenen is uitgeschakeld, is dit vaak een indicatie van te diep anesthesie en / of zuurstof tekort tijdens het scannen. Een voorbeeld hiervan is te zien in figuur 6B.

Figuur 1
Figuur 1. Locatie van de plaatsing van de canules in de femorale slagader en ader.

Figuur 2
Figuur 2 Schematische weergave van de MRI installatie;. Alle apparatuur moet niet-ferromagnetische en is verbonden met een module systeem waarmee gated verwerven van beelden te vermijden storingen van beweging door ademhaling en / of hartslag. De lichaamstemperatuur wordt ook geregeld door middel van een verwarmings-module te volgen en het dier temperatuur te regelen tijdens de beeldvorming. Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 3
Figuur 3. Representatief voorbeeld van bloeddrukdata. Er is een duidelijke verlaging van de bloeddruk direct zichtbaar na de start van de infusie (rood). Normale waarden zijn weer bereikt binnen 10 minuten. na de uitdaging administratie.

Figuur 4
Figuur 4. A) Verwachte activatie patroon met behulp van de MRI-analyse-programma stimuleren (rood is positief activering, blauw is negatief activering). B) De gemiddelde tijdsverloop van alle geactiveerde voxels (≥ 1% verandering tov de uitgangswaarde) in alle dieren. C) Voorbeeld van de resulterende GLM model in FSL / FEAT. Click hier om een grotere afbeelding weer te geven.

Figuur 5
Figuur 5.

  1. Voorbeeld positieve activering. Het tijdsverloop van het actieve voxels (rood) na ongeveer de vorm van het GLM model. Infusie van het geneesmiddel begon rond de tijd punt 8.
  2. Voorbeeld van een negatieve activatie in hele hersenen na te diep anesthesie. Het tijdsverloop in de negatief geactiveerde voxels (blauw) tonen een algemene daling in signaal en geen effect van de uitdaging zichtbaar is.

Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 6
Figuur 6.

  1. Verwachte activatie patroon na het eerste level analyse. Activering van clusters van voxels (rood naar yellow), slechts in specifieke hersengebieden.
  2. Voorbeeld van een 'slechte' patroon voor activering. Gehele hersenen negatieve activeren (blauwe) in hetzelfde dier in figuur 5B.

Discussion

5-HT phMRI is een veelbelovend instrument om de functie van neurotransmitters te beoordelen bij dieren in vivo. Het visualiseert de hersenen als reactie op een 5-HT uitdaging met functionele MRI. MRI heeft het grote voordeel van een hoge ruimtelijke resolutie hebben en behoeven niet injectie van contrast-middel of radio-gelabelde moleculen zodat geen herhaalde blootstelling aan ioniserende straling. Deze techniek is toepasbaar in zowel mens als dier onderwerpen en dus zeer geschikt voor translationeel onderzoek van de neurotransmitter-systemen en psychiatrische stoornissen. De toepassing is natuurlijk niet beperkt tot de 5-HT route en reeds uitvoerig de effecten van dopaminerge geneesmiddelen te beoordelen zowel dieren als mensen 5,15 22.

Toch phMRI in kleine dieren uitdagend blijft, zoals reeds aangegeven in overzichtsartikelen door Martin en Sibson 11 en Steward 20. Een van deze uitdagingen is het onderhoud of stabiele fysiologische parameters tijdens beeldacquisitie. De meeste anesthetica kan veranderen cardiovasculaire functie en het feit dat phMRI is sterk afhankelijk van hart-en / hemodynamische parameters is het essentieel om ervoor te zorgen dat alle hemodynamische veranderingen zijn uitsluitend toe te schrijven aan het gegeven geneesmiddel uitdaging. Het is daarom van vitaal belang dat pCO 2 niveau's constant blijven tijdens de basislijn overname. Mechanische ventilatie kan om ervoor te zorgen fysiologische stabiliteit, en wordt vaak gebruikt in dit soort experimenten. We echter gekozen voor de vrije ademhaling dieren te gebruiken open te laten de mogelijkheid om longitudinale studies uit te voeren in de toekomst. In plaats daarvan hebben we uitgebreid gecontroleerd (en veranderde) ademhaling en bloedgaswaarden van fysiologische stabiliteit te waarborgen binnen de normale waarden voor de start van de functionele scan en op die manier een stabiele vasculaire reactiviteit dus behouden en T2 * / T2 signaal. Literatuur over de gevolgen van algemene anesthetica op de cerebrale hemodynamiek en metabolism is overvloedig 20 en buiten het bestek van dit manuscript. We kozen ervoor om gas anesthesie te gebruiken met ± 2% isofluraan in dit specifieke protocol, want met inhalatie-anesthetica, de diepte van de anesthesie kan snel zijn en gemakkelijk te controleren. Dit is belangrijk in onze setup om normale bereik stabiel pCO 2 verdiepingen zorgen voor aanvang van de beeldopname. Isofluraan is de meest gebruikte inhalatie verdoving vandaag zorgt voor een snelle inductie en terugwinning die belangrijk is voor longitudinaal onderzoek. Het produceert ook minimale cardiovasculaire en respiratoire depressie en leidt tot een goede ontspanning van de skeletspieren.

Ten tweede is de intraveneuze toediening van de uitdagende drug is ingewikkelder in kleine dieren dan bij de mens. De operatie die nodig is voor de cannulatie van de femorale slagader en ader vraagt ​​om goed opgeleide en ervaren medewerkers. Door deze invasieve procedures is momenteel voornamelijk gebruikt in terminalprocedures. Er kon echter niet-invasieve monitoring van bloed homeostase en staartader injectie worden gebruikt voor longitudinale studies 23.

Daarnaast zijn er meer algemene beperkingen van de techniek, die niet specifiek zijn voor dierlijke phMRI. Bovendien, zoals opgemerkt door Martin en Sibson 11, een potentiële verwarren van alle fMRI studies is dat wordt aangenomen dat de veranderingen in hersenactiviteit opgeroepen door de uitdaging aan veranderingen in de neuronale activiteit in plaats van de perifere systemische effecten weer te geven. Vooral in diepere hersenstructuren, een relatief slecht begrip van neurovasculaire koppeling (relatie tussen neuronale activiteit wijzigingen en hemodynamische veranderingen) blijft. Bestudering van de soort door Logothetis 10 neurovasculaire koppeling bepalen de cortex nog niet uitgevoerd in andere delen van de hersenen. Het is dan ook onbekend wat een toename van de BOLD signaal in belangrijke structuren zoals het striatum of de amygdala is telling ons over neuronale activiteit. Het beste wat we kunnen zeggen op dit moment is dat het gebied van de hersenen reageert op de gegeven uitdaging en dat, afhankelijk van de behandeling en / of voorwaarden, kunnen wij toezicht houden op de grote veranderingen van de hersenen reactiviteit. Dit kan grotendeels worden gecontroleerd door te kijken naar zowel de MRI-gegevens en fysiologische reacties. De algemene structuur van hersenactiviteit moet regiospecifieke en beperkte gebieden met in dit geval een hoge 5-HT innervatie en niet zo algemeen vasculair reactie. Er is ook een verschillende temporele profiel tussen vasculaire en hemodynamische veranderingen verwacht. Overwegende dat de veranderingen van de bloeddruk naar hun uitgangswaarden terug te keren binnen enkele minuten, het effect van het geneesmiddel op BOLD activering is in het geval van fluoxetine zichtbaar tot aan het einde van de beeldopname en komen overeen met de know farmacokinetische eigenschappen van deze drug. Ten slotte moet de fysiologische reacties van alle dieren zijn meer gelijk te zijn tussen proefpersonen vergelijkingen te maken. Nonetheless is bekend dat een neurogene regeling van de de bloedstroom door 5-HT4 bestaan. Daarom kan niet uitgesloten worden dat lokale wijzigingen van BOLD signaal toerekenen vaatveranderingen door 5-HT vrijkomt de nabijheid van schepen. Hoewel deze effecten niet geassocieerd met lokale neuronale en kan dus worden beschouwd als vals-positieve resultaten is het ook een index van het totale specifieke functie van de 5-HT systeem (zie ook 3).

Kritische stappen van deze techniek zijn daarom op grote schaal te volgen fysiologische reacties en ervoor te zorgen dat de fysiologische omstandigheden van het dier stabiel zijn voor en tijdens de beeldopname. Ook scanner voorwaarden moet zo stabiel mogelijk en exact dezelfde voor elk dier. Signaal stabiliteit van uw volgorde moeten worden gecontroleerd en bevestigd voor aanvang van uw experiment. Bovendien, zorg er dan altijd groot genoeg statistische power, zelfs met klein onderwerp Groups. Voor een mooie recensie over de experimentele overwegingen van dierlijke phMRI in het algemeen, zie Steward 20 en voor een extra voorbeeld van een experimenteel protocol voor farmacologische fMRI bij ratten en muizen, zie Ferrari 5.

Eventuele wijzigingen van de techniek die hier beschreven zijn talrijk. Men zou:

  1. met een andere drug voor 5-HT uitdaging, zoals een andere SSRI's of 5-HT receptor (ant) agonisten 16,13,18,7 of zelfs een dubbele uitdaging om de onderliggende mechanismen van het geneesmiddel 6,19 onthullen;
  2. een andere experimentele opstelling, zoals een andere anesthesie regime, mechanische ventilatie, bloed-zwembad contrastmiddelen in plaats van BOLD 15, longitudinale studies (dier moet worden in leven gehouden, zodat er geen invasieve bloeddruk / bloed gas meting en / of mechanische ventilatie zijn mogelijk), of zelfs combinaties met andere (invasieve) methoden zoals het opnemen van de neuronale activiteit met behulp van MR-compatibele elementenctrodes 10 of PET / SPECT-studies 4;
  3. maken gebruik van verschillende MRI-data-analyse methoden zoals de methode van de 'p-blok' van McKie 12 of functionele connectiviteit analyse 15.

Welke keuzes die u maakt in de experimentele opstelling is sterk afhankelijk van de mogelijkheden van en / of de ervaring binnen uw laboratorium en de aard van de onderzoeksvraag je wilt beantwoorden.

Disclosures

Wij hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk wordt gefinancierd door Nederland Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) (Veni nee. 916.86.125), uitgereikt aan L. Reneman. De financier had geen rol in de onderzoeksopzet, gegevensverzameling en-analyse, beslissing te publiceren, of de voorbereiding van het manuscript. Er zijn geen tegenstrijdige belangen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Isoflurane Abbott Laboratories 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 Harvard Apparatus 2-0 black braided silk non-absorbable Cat Num 51-7631
PE-50 Cannula Scientific Laboratory Supplies LTD Portex Tubing PE 0.58x0.96mm 0.58 ID 0.96 OD mm
Heparin sodium Leo Laboratories Heparin sodium 1000IU/ml 15 U/ml
Vetbond Tissue Adhesive 3M MVetbond Tissue Adhesive
Monitoring system SA Instruments http://www.i4sa.com Model 1025L monitoring system Monitors respiration and temperature
Pressure transducer Biopac Systems, Inc. BLOOD PRESSURE TRANSDUCER - TSD104A MP150 DATA ACQUISITION SYSTEM - WIN - MP150WSW Monitors blood pressure
RapidLab blood gas analyzer Siemens AG RAPIDLab 248/348 Systems
4.7T animal scanner Agilent Technologies 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Abramoff, M. D., Magelhaes, P. J., Ram, S. J. Image Processing with ImageJ. Biophotonics International. 11, 36-42 (2004).
  2. Anderson, I. M., McKie, S., Elliott, R., Williams, S. R., Deakin, J. F. Assessing human 5-HT function in vivo with pharmacoMRI. Neuropharmacology. 55, 1029-1037 (2008).
  3. Choi, J. K., Chen, Y. I., Hamel, E., Jenkins, B. G. Brain hemodynamic changes mediated by dopamine receptors: Role of the cerebral microvasculature in dopamine-mediated neurovascular coupling. Neuroimage. 30, 700-712 (2006).
  4. Cohen, Z., Bonvento, G., Lacombe, P., Hamel, E. Serotonin in the regulation of brain microcirculation. Prog. Neurobiol. 50, 335-362 (1996).
  5. Ferrari, L. A robust experimental protocol for pharmacological fMRI in rats and mice. J. Neurosci. Methods. 204, 9-18 (2011).
  6. Gozzi, A. Differential effects of antipsychotic and glutamatergic agents on the phMRI response to phencyclidine. Neuropsychopharmacology. 33, 1690-1703 (2008).
  7. Houston, G. C. Mapping of brain activation in response to pharmacological agents using fMRI in the rat. Magn Reson. Imaging. 19, 905-919 (2001).
  8. Jenkins, B. G., Sanchez-Pernaute, R., Brownell, A. L., Chen, Y. C., Isacson, O. Mapping dopamine function in primates using pharmacologic magnetic resonance imaging. J. Neurosci. 24, 9553-9560 (2004).
  9. Klomp, A. Lasting effects of chronic fluoxetine treatment on the late developing rat brain: age-dependent changes in the serotonergic neurotransmitter system assessed by pharmacological MRI. Neuroimage. 59, 218-226 (2012).
  10. Logothetis, N. K., Pauls, J., Augath, M., Trinath, T., Oeltermann, A. Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal. Nature. 412, 150-157 (2001).
  11. Martin, C., Sibson, N. R. Pharmacological MRI in animal models: A useful tool for 5-HT research. Neuropharmacology. 55, 1038-1047 (2008).
  12. McKie, S. Neuronal effects of acute citalopram detected by pharmacoMRI. Psychopharmacology (Berl. 180, 680-686 (2005).
  13. Preece, M. A. Evidence that increased 5-HT release evokes region-specific effects on blood-oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging responses in the rat brain. Neuroscience. 159, 751-759 (2009).
  14. Schwarz, A. J. A stereotaxic MRI template set for the rat brain with tissue class distribution maps and co-registered anatomical atlas: application to pharmacological MRI. Neuroimage. 32, 538-550 (2006).
  15. Schwarz, A. J., Gozzi, A., Reese, T., Bifone, A. In vivo mapping of functional connectivity in neurotransmitter systems using pharmacological MRI. NeuroImage. 34, 1627-1636 (2007).
  16. Sekar, S. Neuroadaptive responses to citalopram in rats using pharmacological magnetic resonance imaging. Psychopharmacology (Berl). 213, 521-531 (2011).
  17. Smith, S. M. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, Suppl 1. S208-S219 (2004).
  18. Stark, J. A., McKie, S., Davies, K. E., Williams, S. R., Luckman, S. M. 5-HT(2C) antagonism blocks blood oxygen level-dependent pharmacological-challenge magnetic resonance imaging signal in rat brain areas related to feeding. Eur. J. Neurosci. 27, 457-465 (2008).
  19. Stark, J. A., Davies, K. E., Williams, S. R., Luckman, S. M. Functional magnetic resonance imaging and c-Fos mapping in rats following an anorectic dose of m-chlorophenylpiperazine. NeuroImage. 31, 1228-1237 (2006).
  20. Steward, C. A., Marsden, C. A., Prior, M. J., Morris, P. G., Shah, Y. B. Methodological considerations in rat brain BOLD contrast pharmacological MRI. Psychopharmacology (Berl). 180, 687-704 (2005).
  21. Strupp, J. P. Stimulate: A GUI based fMRI Analysis Software Package. NeuroImage. 3, S607 (1996).
  22. Tomasi, D. Methylphenidate enhances brain activation and deactivation responses to visual attention and working memory tasks in healthy controls. Neuroimage. 54, 3101-3110 (2011).
  23. Woolrich, M. W. Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL. NeuroImage. 45, S173-S186 (2009).
  24. Worsley, K. J. Statistical analysis of activation images. Functional MRI: An Introduction to Methods. Jezzard, P., Matthews, P. M., Smith, S. M. OUP. (2001).
Het gebruik van Farmacologische fMRI-uitdaging in de Pre-klinisch onderzoek: Toepassing op de 5-HT-systeem
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Klomp, A., Tremoleda, J. L., Schrantee, A., Gsell, W., Reneman, L. The Use of Pharmacological-challenge fMRI in Pre-clinical Research: Application to the 5-HT System. J. Vis. Exp. (62), e3956, doi:10.3791/3956 (2012).More

Klomp, A., Tremoleda, J. L., Schrantee, A., Gsell, W., Reneman, L. The Use of Pharmacological-challenge fMRI in Pre-clinical Research: Application to the 5-HT System. J. Vis. Exp. (62), e3956, doi:10.3791/3956 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter