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Medicine

前臨床研究における薬理学的チャレンジのfMRIの利用:5-HTシステムへの応用

doi: 10.3791/3956 Published: April 25, 2012

Summary

この手法の目的は、セロトニン(5-HT)の薬理学的磁気共鳴イメージング(phMRI)と選択的セロトニン再取り込み阻害薬(SSRI)、フルオキセチンと静脈内チャレンジライブと自由呼吸動物の神経伝達物質の機能を評価することである。

Abstract

薬理学的MRI(phMRI)は、最終的に、うつ病やADHDなどの薬物作用と神経伝達物質関連障害の背後にある基本的な神経生物学的メカニズムを解明するために使用することができ、脳の機能上の物質の影響を研究するための新しい有望な方法です。撮像法(PET、SPECT、CT)の大半と同様、​​それは脳障害の調査と全体的な神経接続の尊重と非侵襲的な方法で神経伝達経路の関連する関数の進捗状況を表しています。また、それはまた、臨床試験への変換のための理想的なツールを提供します。 MRIは、まだ背後にある分子イメージング戦略のPETやSPECTと比較して、しばらく大きな利点は、それによって電離放射線への反復暴露を避けて、高空間分解能やコントラストエージェントまたは無線標識分子の注入の必要はありませんを持っている必要があります。それはgである機能的MRI(fMRI)が広く、研究と臨床の現場で使用されているenerally精神運動タスクを組み合わせる。 phMRIは、fMRIは、特定の困難な薬物の投与を経由してアクティベーション後に生理学的または病理学的条件下では、セロトニンなどの特定の神経伝達物質システム、(5-HT)の調査を可能に適応したものです。

ここで説明する方法の目的は、自由呼吸動物の脳5-HT機能を評価することである。同時に時間の経過とともに機能的なMR画像を取得中に5-HTシステムに挑戦することによって、この課題に対する脳の反応を可視化することができます。動物のいくつかの研究は既に例えば5-HT(剤、選択的再取り込み遮断薬などを放出する)の細胞外濃度の薬剤誘発性の増加が原因で血中酸素レベル依存(BOLD)MRI信号(信号の地域固有の変更を呼び起こすことが示されている酸素とgを供給する血液の供給の増加を介して脳の活性化時に発生する酸化/脱酸素化ヘモグロビン濃度の変化に神経伝達物質の機能の指標を提供する)を要求ニューロンにlucose。また、これらの効果は減少し5-HTの可用性16,13,18,7その治療によって逆にすることができることが示されている。成体ラットでは、急性SSRI投与後のBOLD信号変化は、いくつかの5-HTに関連する脳の領域、すなわち皮質、海馬、視床下部と視床9,16,15に記載されている。 5-HT系の刺激と、この課題への応答は、このように動物とヒトの2,11の両方でその機能の尺度として使用することができます。

Protocol

生体内 MRIイメージングための動物の準備

1。外科的カニューレ

  1. イソフルランでラット(Wistar系雄性ラット、200〜300 g)を麻酔(5%誘導し、動物の準備とスキャン中に麻酔を維持するために1.5から2パーセントに減少)、医療、空気中で与えられた(21%O 2、BOC英国) 。動物がよく麻酔とつま先のピンチへの無応答を示さないことを確認してください。大腿動脈と静脈は、血液ガス、血圧測定、それぞれの薬剤の挑戦を管理するためにカニューレを挿入されています。外科手術の際に、動物の体温は直腸プローブとサーマルブランケット(ハーバード装置)を通じて監視され、維持されます。
  2. 麻酔動物の背側横臥で解剖顕微鏡下で温暖化のパッド上に配置されています。半ば腿エリアとアルコールと綿棒皮膚を剃る。腹部と右大腿部によって形成された折り目に沿って2cmの皮膚切開を行います。内転筋の鈍的切開は大腿動脈、静脈や大腿神経を視覚化するために使用されています。慎重に船を分離します。
  3. 静かに容器の先端の周りに完全に絹糸結紮を結ぶと近位のサイトで大まかに外科的結び目の半分は別のネクタイを配置します。字の間に露出血管の残りの中央部分に血流を閉塞するために、両方の字にトラクションを適用します。 PE-50カニューレ(オスの成体ラットの場合には外径のために0.54ミリメートル内径0.96ミリメートル、それ以外の場合は0.40ミリメートルIDの挿入を可能にするために容器のこの部分で血管周囲の約3分の小さな切開を行い、容器に0.80ミリメートルED)。
  4. カニューレは、容器に数mm(少なくとも5)を挿入する必要があります。一度腔に、血栓のいずれかの形成を避けるために容器をヘパリン生理食塩水を少量(15 UI / ml)をフラッシュします。近絹のループは、カニューレを修正するために完全に連結される。 R第二の容器について、この手順をEPEAT。接着剤の両方カニューレが所定の位置にあるときに皮膚がVetbond組織接着剤(3M英国plcは、ブラックネル、イギリス)を使用します。カニューレの正確な配置は、 図1を参照してください。
  5. 腹臥位でのMR互換性のある定位ベッド(M2Mイメージング株式会社、アメリカ)に動物を配置します。耳のバーや歯バーの挿入を介して動物の頭を維持します。この時点で、動物は、イメージングのためのMRIスキャナーに配置することができます。動物を麻酔したまま、全体のイメージングの手順を通して自由呼吸である。

2。モニタリング

全体の撮像手順の間に、いくつかの生理学的応答は常に監視されるべきであり、可能な限り一定に保たれる。これらの応答はphMRI信号と同じタイム·ウィンドウの上に大きく異なり、また、目的の信号に影響を与えることができるので、これは必須です。それは動物がMAに配置されることを考えると、も重要です。GNETと視覚と適切な麻酔深度を確保するための麻酔深度の標準的なチェック(例えばつま先のピンチ)に従わないから、したがって外です。さらに、多くの薬は、血圧などの心血管パラメータを変更することを考えると、これらの測定は、アカウントがphMRIデータ内の薬物の作用のグローバルな生理学的効果が考​​慮されることを保証するために重要です。また、ベースライン値と5 mg / kgのフルオキセチンの注入に期待される応答のセクション4を参照してください。

  1. 体温が37℃に維持される±1.5℃温風暖房システム(SAインスツルメンツ、ニューヨーク、米国)。 MR画像は、温度測定に影響を与える可能性があることに注意して、独自のシステムでこれを確認してください。
  2. 圧力センサー(SAインスツルメンツ、ニューヨーク、アメリカ)に結合された呼吸器カフを用いた動物の呼吸速度を監視し、記録します。
  3. 圧力トランスデューサー(TSD104A、BIOPAC Systems社、米国)を使用して、侵襲的な動脈の血圧を記録し、定期的に撤退する動脈PCO 2と酸素分圧(PO 2)を監視するために撮像中にカニューレ大腿動脈を介して動脈血液ガスサンプル(RapidLab、シーメンス診断)分析すると思います。
  4. 薬理学的挑戦(生理食塩水に溶解したフルオキセチン(Sigma-Aldrich社、英国からのフルオキセチン塩酸塩)溶液に、5 mg / kg体重)の主な輸液ラインとして大腿静脈カニューレを使用しています。

in vivoイメージング

fMRIの実験セットアップの概略図を図2に示されている

3。撮像パラメータ

  1. 動物は、スキャナの内部に配置され、安定した生理的な反応を示し続けれると、イメージングが起動することができます。我々の研究では、円筒形の直交72ミリメートル、内径(M2Mイメージング株式会社、米国)とRFコイルを送信/受信で4.7 T小動物MRIシステム(アジレント·テクノロジー)を使用しました。正しくPには、3つの平面スカウトイメージを作成するビューのMRIフィールドの真ん中に脳をosition、脳内の磁場の均一性を向上させるために、ローカライズされたシム補正(fastmapシーケンス)を使用します。
  2. 各動物は、最初の登録とセグメンテーションの目的のためT2強調解剖画像のボリュームを取得します。行列のサイズ= 256×256;我々は、エコートレイン長= 8とターボスピンエコーシーケンスを用いたFOV = 50×50ミリメートル2、厚さ1mmの30の連続した冠状スライスのインターリーブを買収し、後端に尾8ミリメートルを中心に嗅球の、平均値= 4; TR / TE = 60分の5112ミリ秒。
  3. その生理的反応はphMRIスキャンを開始する前に一定である動物を確認してください。マトリクスサイズ= 128×128;時系列取得のために、我々はエコートレイン長さ= 16と同じT2強調ターボスピンエコーシーケンスを用いたTR / TE;同じ位置を中心とした厚さ1mmの20の連続した​​スライスをインターリーブ買収に= 60分の4915ミリ秒。合計では、で32時間ポイントを取得しました時系列ボリュームあたり158秒、84分の総スキャンタイムのcquisition時間。最初のボリュームは、T1の飽和の影響に対処するための "ダミーのスキャン"として使用され、データ解析に使用されていません。このような勾配エコーまたはエコープラナーイメージング(EPI)シーケンスのような他のfMRIのシーケンスを使用することもできます。あなたの実験の開始前に選択したシーケンスの信号安定性を評価することを確認します。
  4. チャレンジ薬を投与する前に、ベースラインのボリュームの数を取得します。我々は、安定した条件下で、ベースラインの買収に少なくとも10分をお勧めします。すべての動物のためにまったく同時に注入を開始します。我々のプロトコルでは、第九ボリュームの先頭(約21分のベースラインスキャン後)に投与を開始しました。注入後、画像取得(全32巻)別の60分間続けた。ポスト注入期間はあなたの研究クエスティに応じて、変更を可視化し、定常状態または信号の回復に達するために十分な長さであることを確認してください上で、薬物の挑戦のあなたの選択。
  5. 画像の取り込みが完了すると、スキャナから動物を削除します。血液ガスパラメータの安定性を確保するため、基本的な生理機能に対する薬物影響の評価を有効にするには、最後の血液ガス測定を行います。

データ処理

4。生理学的反応

チャレンジへの期待の生理学的反応は、選択された薬物に依存しています。以下、一般的に受け入れられている基準値(成人雄ラットの)、5 mg / kgのフルオキセチンの静脈内注入に期待される応答が与えられている。

  1. 呼吸速度は45から75回/分で安定でなければなりません。フルオキセチンの薬理学的課題は、呼吸率の短期上昇(15-20%)を誘導する。
  2. 血圧は一定と100から150 mmHgの(BIOPAC Systems社、Goweta、米国)との間でなければなりません。フルオキセチンの課題は、動脈血圧の20%程度の短いが急な降下を誘発する。これは5〜10分以内に回復する必要があります。これは図3に示されています。
  3. 血液ガス値が安定している(少なくとも二回測定)とphMRIスキャンを開始する前に、次の範囲内にする必要があります。PCO 2、35から45 mmHgで、pO 2は 、80から130 mmHgで、pHは7.35から7.45。常に動物が安定していたかどうかを確認するために、基本的な生理機能に対する薬物影響の評価を有効にするには、スキャンした後、再度これらの値を確認してください。高いPco 2の値は、血管拡張を誘発するため、BOLD信号の変化を見て避けることができます。
  4. 動物が麻酔の連続した​​一定レベルの下にあることを確認してください(2±0.25%より高いレベルは、脳血管反応性の抑うつと低い不十分な麻酔ので、動きを引き起こす可能性があります)重要なphMRIスキャンを開始するとする前に、任意の調整を避けるこのような機能画像取得時の麻酔体制(例えば、%イソフルランおよび/またはガスフロー)もBOLD信号に影響を与える可能性があります。

ここでは、統計分析用のデータをoptimalizeするために、MRデータの前処理でいくつかの手順を説明します。我々は、しかし、多くの異なるツールが利用可能であり、私たちのラボで使用されるツールに言及。

5.1データの準備

  1. あなたは(FSLプログラムのNIfTI1.1またはAnalyze7.5形式)を使用することを好むMRI解析ソフトウェアのための正しいファイル形式のRAW画像を入れてください。いくつかの無料のファイルコンバータプログラムがオンラインで入手できます。使用するスキャナによっ​​ては、最初にすべての個別の2Dスライスの3D(解剖スキャン)または4D(phMRIスキャン)イメージを構築する必要があるかもしれません。これは、そのようなImageJの1などの画像処理プログラムを使用して行うことができます。
  2. ヒトのデータで使用する(例えば、FSLプログラム)用に設計された解析アルゴリズムとの互換性を確保するために、ボクセルサイズはファクター10(これはまた、例えばImageJを使用して行うことができます)を乗じする必要があります。我々の研究では、これは3.91 X 3.91×10 mm 3のボクセルサイズになりました。
  3. 視覚的方向の不規則性の画像、工芸品、モーションを確認してください。彼らはあなたの結果を歪曲するのであなたの分析では明確な工芸品や過度の運動とスキャンを使用しないように注意してください。
  4. すべてのスキャンの向きは解剖学的および機能的な画像の間、使用の基準の脳との一致で似ている必要があります。私たちの研究では、シュワルツ14で説明した定位ラット脳のテンプレートを使用していました。 FSLコマンドfslswapdimは、方向付けに使用することができます。

5.2モーション補正

  1. 4Dの時系列内の任意のモーションアーチファクトを補正するために、我々は動き補正ツールMcFlirtを(FMRIBのリニアイメージ登録ツールを使用して、モーション補正、FMRIBのソフトウェアライブラリの一部は、使用www.fmrib.ox.ac.uk / FSL )。 MCFLIRTは、イントラモーダルモーション補正ツールDESですfMRIを時系列で使用するためignedと浮気者に使用される最適化と登録手法、線形(アフィン)インターモーダル脳画像登録のための完全に自動化されたツールに基づいています。結果が良好である場合は、常に後を確認してください。

5.3脳のセグメンテーション

  1. 3D解剖画像として4Dの時系列の両方の頭部全体のイメージからすべての非脳組織を削除します。このため我々は、FSLツールのBET(脳抽出ツールV. 2.1、FMRIBのソフトウェアライブラリの一部は、使用www.fmrib.ox.ac.uk / FSLが )。デフォルト設定は、人間の脳で使用するために開発され、その結果、ラットの脳に理想的ではありませんされています。と頭の半径(mm)で、ほとんどの動物のr = 175;小数の強度のしきい値は、g = 0.1で垂直方向のグラデーション小数の強度のしきい値は、f = 1.0:私たちは、次のパラメータを使用していました。必要であれば、テーマごとにこれらの値を最適化することができます。

6。データAnalysiの

MRデータの統計解析の目的は、統計的に堅牢な方法で、薬剤チャレンジに起因する追加の分散を示すボクセルを決定することです。様々な方法論的アプローチにも数えられるソフトウェアパッケージとして、このために用意されています。あなたが作る選択は、あなたのラボで、ソフトウェアや知識/経験の可用性と具体的な研究問題に依存しています。ここで我々のラボで使用されるよう提案された方法を提供します。

6.1

  1. MRIデータを分析する前に、データが装着されるための一般的な線形モデル(GLM)を決定します。これはオン·オフモデル(オフのプリ薬とポスト薬剤注入のための)シンプルな正方形またはデータに基づいて特定のモデルにすることができます。我々は、データ·ベースGLMモデルを決定するためにプログラムが刺激21を使用しています。
  2. すべてのポストチャレンジボリューム対すべてのベースラインのボリュームの2つのサンプルのT-テスト(刺激の例)を実行します。必要に応じて、oを残すUTは、最初のボリューム(s)とそれらが定常状態のイメージングを表していないかもしれないので、チャレンジが与えられ、その間ボリューム。その後、ベースラインから特定の%の変化以上ですべてのボクセルを識別する。我々は1%以上の変化を持つすべてのボクセルを使用していました。
  3. 既にあなたのモデルの形状のような印象を与え、これらすべてのボクセル内の次の、平均時間のコース。課題1)は効果が効果の時間経過の間に再び低下する場合や高原、そして/または、ピークと、3)に達する場合は、即時または遅延効果、2)を持っている場合は、この方法でそれを決定することができます。スキャンします。の例を図4A及び図4Bに示されています。

6.2

次のステップでは、統計的に以前確立されたGLMモデルに対してそれぞれの動物の生の4Dの時系列画像をテストするためにしています。このため、我々は、FSLプログラムFEAT(FMRIエキスパート解析ツール、v5.98)17,24を使用していました 。しかし、他のfMRIの解析ツールを毎日ご利用いただけます。同様にBLE。解析ツールの中で、最初のレベルの分析では、設定する必要があります。これは、次の手順を実行する必要があります。

  1. 各動物について同じ設定を使用することを確認します。定常状態のイメージングがその時点でまだ到達できないかもしれないので、あなたが分析する前に、まず(2)ボリュームを削除することを選んだことがあります。 TRを設定し、これは連続する各ボリュームの開始の間の時間(秒単位)です。あなたは全体のスキャン時間を持続できる効果を見ているので、高または低域通過フィルタを設定する必要はありません。
  2. 空間的にノイズを低減し、ノイズ(SNR)比の信号を向上させるために、データを平滑化。私たちは、8ミリメートルの半値幅カーネルを選択しました。
  3. 今すぐあなたのデータ上の任意のGLMモデルを実行します。これは主説明変数(EV)は、あなたのデータを比較テストしている波形を、すなわち。我々自身のデータに基づいて決定されたGLMは、 図4Cに見ることができます。そのような動きパラメータとして追加混同するEVのを追加する可能性もあります低周波ノイズ(スキャナドリフト)や、一般的な生理的な薬物の影響を除去するために血圧などにも生理的パラメータを設定します。
    内FEAT:使用フィルム前もって行う白色化。一時的な導関数を追加します。コントラスト&F-テスト]タブで、コントラストを設定します。 Zの統計イメージにシングルEVを変換するには、1に、そのコントラストの値を設定します。これにより、その時間のコースが大幅にGLMによって説明することができるすべてのボクセルを提供します。値を-1に設定すると、負の活性化を与える。
  4. 初期の統計的検定を行った後、結果の統計イメージは、ボクセルのボクセルまたはクラスタが特定の有意水準で活性化される表示するために閾値処理する必要があります。多重比較補正は、テストされ、脳のボクセルの数が多いために必要とされる。 FSLプログラムはFEATには、GRF(ガウシアンランダムフィールド)理論25に基づいて自動化されたクラスタベースの多重比較補正を使用しています。
  5. 最後に、データは空間的でなければなりませんグループの統計情報を実行するために、参照画像に正規化。最初の動物の脳抽出した解剖学的画像にして、参照画像に機能データを登録します。我々は、参照脳とシュワルツ14で説明した定位ラット脳のテンプレートを使用していました。
  6. この後、すべての動物の最初のレベルの分析は、より高いレベル(グループ)の統計分析で組み合わせることができます。これは、あなた自身の研究デザインや研究の質問に大きく依存しています。

6.3

この後、すべての動物の最初のレベルの分析は、より高いレベル(グループ)の統計分析で組み合わせることができます。これは、あなた自身の研究デザインや研究の質問に大きく依存しています。

6.4

必要に応じて生理的な薬物応答は、MR信号に結合または相関させることができる。また混同するEVのを追加する方法についてセクション6.2.3を参照してください。

7。代表的な結果

ove_content ">挑戦的な薬(5 mg / kgの静脈内フルオキセチン)は血管系に入ると、明確な生理学的な応答は、呼吸速度(最大)と血圧(下)に表示されるはずです。これらの応答は5-10分以内に平均で正規化する図3では、血圧のこの低下ははっきりと見えるようになります。

平均的な信号の時間経過は比較的安定したベースラインと課題の明確な効果を示すべきである。好ましくは、信号のない課題に依存しないドリフトがあってはならない。平均信号の時間経過の代表的な例は、 図5Aに見ることができます。麻酔のような呼吸のうつ病/障害や変更などのアーチファクトは、信号で頻繁にはっきりと見える。呼吸抑制は負脳全体の信号に影響を与えます。これは、 図5Bに示されています。

最初のレベルの分析の後、活性化パターンは、主に正と位置であると予想される特定の地域ではテッド(すなわち皮質、海馬、視床下部と視床、 図6Aを参照してください)。脳全体が無効になっている場合、これは頻繁にスキャン中にも深い麻酔および/または酸素不足のしるしです。この例を図6Bに見ることができます。

図1
図1大腿動脈および静脈にカニューレの配置の場所。

図2
図2 MRIセットアップの概略表現は、 すべての機器は、非磁 ​​性である必要があり、呼吸および/ ​​または心臓の鼓動に起因する動きからの干渉を避けるため、画像のゲート取得を可能にするモジュールシステムに接続されています。体温は、撮像中に動物の温度を監視および制御する加熱モジュールを介して調節されている。 拡大画像を表示するには、ここをクリック

図3
図3血圧データの代表例。直接注入​​(赤いバー)の開始後に表示血圧の明確な低下があります。正常値は10分以内に再度到達しています。チャレンジ投与後。

図4
図4:MRI解析プログラムを使用して)期待される活性化パターンは、(赤が正の活性化、青は負の活性化である)を刺激。すべての動物のすべての活性化ボクセル(ベースラインから≥1%の変化)のB)の平均時間のコース。 C)FSL / FEAT。の結果のGLMモデルの例Clは拡大図を表示するには、ここをICK。

図5
図5。

  1. 肯定的な活性化の例を示します。活性化ボクセル(赤)のタイムコースはほぼGLMモデルの形状を以下の通りです。薬剤の注入は時点8の周囲に開始しました。
  2. 深すぎる麻酔後、脳全体の負の活性化の例を示します。負の活性化ボクセル(青)のタイムコースは、信号の一般的な減少を示し、課題の影響は目に見えるではありません。

拡大図を表示するには、ここをクリックしてください

図6
図6。

  1. 最初のレベルの分析の後に活性化パターンを期待しています。ボクセルのクラスターの活性化(yへの赤特定の脳領域でellow)。
  2. "悪い"活性化パターンの一例。 図5Bのように同じ動物で、脳全体負の活性化(青)。

Discussion

5-HT phMRI 、in vivo の動物の神経伝達物質の機能を評価するための有望なツールです。それは機能的なMRイメージングと5-HTの課題に対する脳の反応を可視化する。 MRIは、高空間分解能を持っているので、電離放射線への反復暴露を避けるコントラスト剤または放射性標識分子の注入を必要としないために大きな利点を持っています。この手法は、人間と動物の両方の科目に適用されるため、神経伝達物質システムと精神疾患のトランスレーショナルリサーチのために非常に適しています。そのアプリケーションはもちろん、5-HT経路に限定されるものではなく、既に動物の5,15およびヒト22の両方におけるドーパミン作動薬の効果を評価するために広く使用されています。

すでにマーティンとSibson 11スチュワード20日の記事で指摘したようにそれにもかかわらず、小さな動物のphMRIは、依然として厳しい。これらの課題の一つは、メンテナンスoです画像取得時にf安定した生理的パラメータを設定します。ほとんどの麻酔薬は、心臓血管機能を変化させるとphMRIそれは、任意の血行動態の変化が与えられた薬物のチャレンジにもっぱら起因していることを確認することが不可欠である心血管疾患/血行動態パラメータに決定的に依存していることを考えることができます。それはPco 2のレベルがベースライン取得時に一定に保たれるので、非常に重要です。機械的人工換気は、生理学的安定性を確保することができ、頻繁に実験のこのタイプで使用されています。しかし我々は将来的に長期的な研究を実行する可能性を開いたままに自由呼吸動物を使用することにしました。代わりに、我々は広範囲に安定した血管反応性を維持するために機能的なスキャンの開始前に、この方法で正常範囲内に生理的な安定性を確保するために(そして変更された)呼吸と血液ガスの値を監視し、T2 * / T2信号。脳の血行動態とmetabolisに関する一般的な麻酔薬の影響についての文献mは20豊富で、この原稿の範囲を超えています。吸入麻酔薬で、麻酔の深さは、迅速かつ容易に制御することができるので、我々は、この特定のプロトコルのイソフルラン±2%でガス麻酔を使うことにしました。これは、画像取り込みの開始前に正常範囲に安定PCO 2のレベルを確保するために我々のセットアップで重要である。イソフルランは、今日最も一般的に使用される吸入麻酔薬であり、縦断的研究のために重要である迅速な誘導と回復が可能になります。また、最小の心血管系および呼吸抑制を生成し、骨格筋の良いリラクゼーションを誘発する。

第二に、挑戦的な薬剤の静脈内投与は、ヒトのより小さい動物のより複雑です。大腿動脈と静脈のカニュレーションに必要とされる手術はよく訓練され経験豊富なスタッフを必要とします。それは現時点では、端末の手順で主に使用されるこれらの侵襲的処置のために。しかし、血液の恒常性と尾静脈注射の非侵襲的モニタリングは、縦断的研究23を使用することができる。

さらに、動物phMRIのために固有のものではありませんテクニックにはいくつかのより一般的な制限があります。マーティンとSibson 11で指摘したようにさらに、すべてのfMRIの研究の潜在的な混乱させる、それが挑戦によって誘発される脳活動の変化が神経活動の変化はなく、周辺全身への影響を反映していると想定されるということです。特に深い脳の構造で、神経血管カップリングの比較的貧しい人々の理解は(神経活動の変化と血行動態の変化との関係)のまま。皮質で神経血管カップリングを決定するためにLogothetis 10によって行わ種の研究は、まだ脳の他の部分で実施されていない。それが重要な構造のBOLD信号の増加などの線条体や扁桃体はテリン何であるかは不明であるので、ニューロンの活動について教えてG。我々はこの時点で言うことができる最高の脳の領域が与えられた課題に反応し、治療および/または条件に応じて、我々は脳の反応性の有意な変化を監視することができますということです。これは、主にMRIデータと生理学的応答の両方を見て確認することができます。脳の活性化の一般的なパターンは、この場合、高い5-HT神経支配ではなく、できるだけ一般的な血管の応答で、ある領域に領域を特定し、制限する必要があります。また、血管と血行動態の変化の間に別の一時的なプロファイルが期待されています。血圧の変化は数分以内にベースライン値に戻るのに対し、BOLD活性化に対する薬剤の効果は画像の取り込みが終了するまで表示されてフルオキセチンの場合ですと、この薬の知っている薬物動態学的特性に対応しています。最後に、すべての動物の生理学的応答は、被験者間の比較を行うために、似ている必要があります。 NonetheleSS、それは5-HTによる局所血流の神経性調節4が存在することが知られている。したがって、それはBOLD信号の局所的変化は血管の近傍に5-HTの放出による血管の変化に帰することを除外することはできません。これらの効果は、ローカルニューロンの活性化に関連付けられていないため、偽陽性の結果とみなすことができるが、それはまた5-HTシステムの全体的な特定の機能(これも3を参照)のインデックスです。

この手法の重要なステップは、広範囲の生理学的反応を監視するために、動物の生理的条件下では、画像取得前との間に安定していることを確認してくださいすることがあります。また、スキャナの条件は、できるだけ安定しており、各動物のために正確に同じである必要があります。シーケンスの信号安定性をチェックして、実験の開始前に確認する必要があります。さらに、小さな被写体grouで、常に十分な大きさの統計的検出力を持っていることを確認してくださいpsの。一般に動物phMRIの実験的検討事項の素敵なレビューのために、スチュワード20を参照し、ラットとマウスにおける薬理fMRIのための実験プロトコルの追加例えば、フェラーリ5を参照してください。

ここで説明する手法の可能な変更はたくさんあり​​ます。一つは、可能性:

  1. 薬物作用6,19の基礎となるメカニズムを明らかにするためにそのような別のSSRIまたは5-HT受容体(ANT)アゴニスト16,13,18,7、あるいは二重の課題として5-HTの挑戦のために別の薬剤を使用して;
  2. そのような別の麻酔体制、機械的人工換気、血液プール造影剤の代わりに、BOLD 15、縦断的研究(動物が生きて維持する必要があるなど、さまざまな実験のセットアップを使用するので、全く観血式血圧/血液ガス測定しない、および/ ​​または機械的人工換気MR-互換性のあるELEを使用して、このような神経活動の記録として、他の(侵襲性)メソッドとの組み合わせでも)が可能であるか、またはctrodes 10またはPET / SPECT研究4;
  3. "P-ブロック"マッキー12に記載の方法または機能の接続性の分析15などの異なるMRIデータ分析方法を使用します。

あなたが実験で行った選択の可能性および/またはあなたのラボとあなたが答えたい研究課題のタイプ内の経験に大きく依存している。

Disclosures

我々は、開示することは何もありません。

Acknowledgments

この作品は、L. Renemanに授与科学研究費オランダ機構(NWO)(Veniない。916.86.125)によって賄われています。資金提供者は、研究デザイン、データ収集と分析、公開することを決定、または原稿の準備で何の役割もありませんでした。利害の衝突はありません。

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).
前臨床研究における薬理学的チャレンジのfMRIの利用:5-HTシステムへの応用
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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).

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