Summary
इस प्रोटोकॉल कृंतक में एक साथ कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और गहरी मस्तिष्क प्रोत्साहन के लिए एक मानक विधि का वर्णन करता है. इन प्रयोगात्मक उपकरणों के संयुक्त उपयोग वास्तव में किसी भी मस्तिष्क लक्ष्य पर बिजली की उत्तेजना के जवाब में वैश्विक नीचे की ओर गतिविधि के अन्वेषण के लिए अनुमति देता है.
Abstract
विभिन्न ठिकानों पर गहरी मस्तिष्क प्रोत्साहन (डीबीएस) के लिए वैश्विक और नीचे की ओर neuronal प्रतिक्रियाओं कल्पना करने के क्रम में, हम रक्त ऑक्सीजन का स्तर निर्भर (बोल्ड) कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (fMRI) एक साथ डीबीएस के साथ छवि कृन्तकों के लिए उपयोग करने के लिए एक प्रोटोकॉल विकसित किया है. डीबीएस fMRI इलेक्ट्रोड आरोपण की सटीकता सहित तकनीकी चुनौतियों का एक नंबर, प्रस्तुत करता है, एमआर एक साथ पशु गति, और शारीरिक मापदंड के रखरखाव को नष्ट करते हुए किसी भी neuronal प्रभाव को कम करने के लिए संज्ञाहरण और लकवाग्रस्त के इलेक्ट्रोड, चुनाव के द्वारा बनाई गई कलाकृतियों, विचलन, जहाँ से उलझाना कर सकते हैं बोल्ड संकेत. हमारी प्रयोगशाला में इन संभावित मुद्दों के सबसे काबू पाने में सक्षम हैं कि प्रक्रियाओं का एक सेट विकसित किया गया है. बिजली की उत्तेजना के लिए, एक घर का बना टंगस्टन द्विध्रुवी microelectrode anesthetized विषय में उत्तेजना साइट पर stereotactically डाला, प्रयोग किया जाता है. इमेजिंग के लिए तैयार करने में, कृन्तकों एक प्लास्टिक बुद्धि पर तय कर रहे हैं औरचुंबक बोर करने के लिए स्थानांतरित कर दिया. स्कैनिंग के दौरान बेहोश करने की क्रिया और पक्षाघात के लिए, dexmedetomidine और pancuronium के एक कॉकटेल लगातार isoflurane की एक न्यूनतम खुराक के साथ साथ संचार होता है, इस तैयारी वाष्पशील एनेस्थेटिक्स का साहसिक छत प्रभाव को कम करता है. इस उदाहरण के प्रयोग में, सबथैलेमिक नाभिक (STN) की उत्तेजना मोटर प्रांतस्था में केन्द्रित, ipsilateral cortical क्षेत्रों में मुख्य रूप से मनाया जाता है जो बोल्ड प्रतिक्रियाओं पैदा करता है. एक साथ डीबीएस और fMRI उत्तेजना स्थान और उत्तेजना मापदंडों पर तंत्रिका सर्किट की स्पष्ट मॉडुलन निर्भर अनुमति देता है, और क्षेत्रीय पूर्वाग्रह से मुक्त neuronal modulations का अवलोकन परमिट. इस तकनीक को प्रयोगात्मक और नैदानिक दोनों डीबीएस के लिए निहितार्थ के साथ, लगभग किसी भी क्षेत्र मस्तिष्क में तंत्रिका circuitry नियमन करने के बहाव के प्रभाव का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
Introduction
तंत्रिका सर्किट गतिविधि की वैश्विक बहाव के प्रभाव का निर्धारण सिस्टम तंत्रिका विज्ञान के कई क्षेत्रों के लिए एक बड़ी चुनौती है और लक्ष्य का प्रतिनिधित्व करता है. उपकरणों की एक कमी है कि इस जरूरत को पूरा वर्तमान में उपलब्ध हैं, और इस तरह उपयुक्त प्रयोगात्मक setups की वृद्धि की पहुंच के लिए एक मांग है. तंत्रिका सर्किट सक्रियण की वैश्विक परिणाम के मूल्यांकन के लिए एक ऐसी विधि गहरी मस्तिष्क बिजली की उत्तेजना (डीबीएस) और कार्यात्मक एमआरआई (fMRI) के एक साथ आवेदन पर निर्भर करता है. डीबीएस-fMRI एक बड़े स्थानिक पैमाने पर सर्किट सक्रियण के लिए नीचे की ओर प्रतिक्रियाओं का पता लगाने के लिए अनुमति देता है, और वास्तव में किसी भी उत्तेजना लक्ष्य पर लागू किया जा सकता है. इस toolset चिकित्सकीय उच्च आवृत्ति उत्तेजना के लिए प्रतिक्रियाओं के लक्षण वर्णन सहित translational preclinical अध्ययन के लिए बेहद उपयुक्त है.
एक उपयुक्त एमआरआई स्कैनर के लिए उपयोग करने के अलावा, सफल डीबीएस-fMRI प्रयोगों variabl की एक संख्या पर विचार किए जाने की आवश्यकता हैइलेक्ट्रोड प्रकार, बेहोश करने की क्रिया विधि, और शारीरिक मापदंड के रखरखाव सहित तों,. उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोड चुनाव उत्तेजना प्रभावकारिता (जैसे. नेतृत्व आकार और प्रवाहकत्त्व, मोनो बनाम द्विध्रुवी), के रूप में अच्छी तरह के रूप में श्री अनुकूलता और इलेक्ट्रोड विरूपण साक्ष्य आकार से संबंधित कारकों पर आधारित होना चाहिए. इलेक्ट्रोड कलाकृतियों इलेक्ट्रोड सामग्री और आकार के रूप में अच्छी तरह के रूप में इस्तेमाल स्कैन क्रम के अनुसार भिन्न है, पूरी तरह से पूर्व प्रायोगिक परीक्षण एक अध्ययन के लिए उपयुक्त इलेक्ट्रोड प्रकार का निर्धारण करने के लिए नियोजित किया जाना चाहिए. सामान्य में, टंगस्टन microwire इलेक्ट्रोड इस प्रोटोकॉल के लिए सिफारिश कर रहे हैं. लकवाग्रस्त और शामक के चुनाव को प्रभावी ढंग से पशु स्थिर और रक्त में ऑक्सीजन के स्तर पर निर्भर संकेत (बोल्ड) पर कुछ बनी रहती की दमनकारी प्रभाव को कम करने के लिए किया जाना चाहिए. अंत में, यह शरीर के तापमान और ऑक्सीजन संतृप्ति सहित इष्टतम शारीरिक मापदंड, पर पशु बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है.
हम डीबीएस के लिए विकसित किया है कि प्रोटोकॉल-FMRI इन संभावित बाधाओं के कई काबू पा, और हमारे हाथ में, मजबूत और अनुरूप परिणाम प्रदान करता है. इसके अतिरिक्त, इन प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं आसानी optogenetic उत्तेजना सहित वैकल्पिक उत्तेजना के तरीकों, साथ fMRI के संयोजन के लिए अपनाया जा सकता है.
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Protocol
आचार विवरण: यह प्रक्रिया पशु रिसर्च (प्रयोगशाला पशु की देखभाल और उपयोग के लिए गाइड) के लिए स्वास्थ्य के दिशा निर्देशों के राष्ट्रीय संस्थानों के अनुसार है और उत्तरी कैरोलिना संस्थागत पशु की देखभाल और उपयोग समिति के विश्वविद्यालय द्वारा मंजूरी दे दी है.
1. इलेक्ट्रोड आरोपण
पहला कदम इलेक्ट्रोड आरोपण है. इस चरण में, एक इलेक्ट्रोड एकतरफा सबथैलेमिक नाभिक (STN), निम्न विधियों का उपयोग पार्किंसंस रोग के उपचार के लिए translational महत्व के साथ एक छोटे नाभिक में प्रत्यारोपित किया जाता है:
- . यह एक अल्पकालिक अस्तित्व सर्जरी है, और इस तरह सड़न रोकनेवाला तकनीक आवश्यक है: वाष्पदावी नोट (इलेक्ट्रोड बाँझपन के लिए उदाहरण के लिए) संभव नहीं है, जहां एक आटोक्लेव, या एंटीसेप्टिक समाधान का उपयोग सभी सर्जिकल उपकरण जीवाणुरहित. सर्जरी के बाद, जानवरों के एक संक्षिप्त वसूली की अवधि (48 घंटे) के बाद या कई सप्ताह तक imaged किया जा सकता है बाद में.
- अंतःश्वासनलीय इंटुबैषेण और एक छोटे पशु वेंटीलेटर के माध्यम से प्रशासित 2.5 isoflurane% का उपयोग चूहा (वयस्क Sprague-Dawley चूहों 250-400 ग्राम) anesthetize. एक stereotactic शल्य फ्रेम करने के लिए चूहा फिक्स और सड़न रोकनेवाला तकनीक का उपयोग शल्य साइट तैयार करते हैं.
- तैयार है और इलेक्ट्रोड बाँझ है कि यह सुनिश्चित करें. कई एमआरआई संगत इलेक्ट्रोड प्रकार के काम करेंगे, हालांकि एक घर का 2 चैनल टंगस्टन microwire इलेक्ट्रोड, इस प्रक्रिया के लिए प्रयोग किया जाता है. इस्तेमाल किया इलेक्ट्रोड प्रकार इस प्रकार कुल प्रयोगात्मक परिणाम को प्रभावित करने, यंत्रवत् प्रक्रिया, उत्तेजित ऊतक के क्षेत्र, और आरोपण की सटीकता से क्षतिग्रस्त ऊतक के क्षेत्र को प्रभावित कर सकता है. इलेक्ट्रोड प्रकार autoclaved जा करने में सक्षम नहीं है, तो जहां तक संभव है के रूप में इलेक्ट्रोड बाँझ povidone आयोडीन एंटीसेप्टिक का उपयोग करें.
- का प्रयोग कैंची खोपड़ी पर शीर्षस्थान और लैम्ब्डा को उजागर करने के लिए, लगभग 1.5 सेमी की एक व्यास के साथ आरोपण की साइट पर खोपड़ी को हटा दें. खोपड़ी overlying मांसपेशियों और प्रावरणी निकालेंऔर सब विद्युतदहनकर्म का उपयोग रक्तस्राव को रोकने के.
- दंत सीमेंट आसंजन (कदम 1.8) में सुधार करने के लिए एक स्केलपेल के साथ कई दिशाओं में खोपड़ी सतह खरोंच. क्षैतिज दिशा में स्तर शीर्षस्थान और लैम्ब्डा.
- . शीर्षस्थान करने के लिए 3.6 मिमी पीछे में, STN लक्ष्य और midline पार्श्व 2.5 मिमी, व्यास में लगभग 1.5 मिमी को मापने एक गड़गड़ाहट छेद बनाने के लिए एक छोटे से इत्तला दे दी इलेक्ट्रिक ड्रिल का उपयोग करने के लिए नोट: निर्देशांक stereotaxic के संदर्भ में STN का सही स्थान हो सकता है चूहा तनाव, वजन, और लिंग के हिसाब से बदलती. एक ही लिंग के वयस्क चूहों स्थान में किसी भी बदलाव को कम करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए. यदि संभव हो तो, पूर्व परिचालन संरचनात्मक स्कैन या intraoperative बिजली रिकॉर्डिंग एक व्यक्ति के विषय के आधार पर STN स्थान की पहचान करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए. इसके अलावा, इलेक्ट्रोड समाप्ति साइटों histologically लक्ष्य सटीकता सुनिश्चित करने के लिए सत्यापित किया जाना चाहिए.
- ध्यान ड्यूरा में एक चीरा बनाने, और वें के पक्ष में ड्यूरा स्थानांतरित करने के लिए छोटे कुंद संदंश का उपयोगई छेद. खारा में भिगो बाँझ कपास का उपयोग कर किसी भी खून बह रहा बंद. एक या एक से अधिक एमआर संगत शिकंजा के लिए छेद) बनाते हैं और वे स्थिर रहे हैं जब तक खोपड़ी में उन्हें धीरे से डालें. शिकंजा वे डीबीएस इलेक्ट्रोड के लिए बाहरी कनेक्टर की नियुक्ति को बाधित नहीं होगा, जहां किसी भी स्थान में रखा जा सकता है (उदाहरण के लिए. नहीं सीधे इलेक्ट्रोड को STN ipsilateral के पीछे). हम आदर्श सीधे लैम्ब्डा सीवन के पीछे, खोपड़ी के पार्श्व किनारों पर नियुक्तियों की सिफारिश. इस बिंदु पर, खोपड़ी शिकंजा प्रांतस्था नुकसान होगा कि संभावना को कम करने, अपेक्षाकृत मोटी है "नोट:. प्लास्टिक शिकंजा भी उपयुक्त हैं हालांकि लंबाई में 4-5 मिमी कटौती पीतल शिकंजा, इस प्रोटोकॉल में इस्तेमाल किया जाता है.
- यह सीधे और ऊर्ध्वाधर सुनिश्चित करना है कि stereotactic हाथ पर इलेक्ट्रोड रखें. शीर्षस्थान के लिए इलेक्ट्रोड टच, तो cortical सतह midline और स्पर्श करने के लिए वास्तव में 3.6 मिमी शीर्षस्थान करने के पीछे और 2.5 मिमी पार्श्व इलेक्ट्रोड स्थानांतरितइलेक्ट्रोड के साथ. Cortical सतह से, पेट के बल इलेक्ट्रोड 7.8 मिमी डालें. ये निर्देशांक एक neuroanatomical एटलस 1 के संदर्भ द्वारा निर्धारित कर रहे हैं.
- खोपड़ी शिकंजा और इलेक्ट्रोड सम्मिलन बिंदु सहित खोपड़ी से अधिक दंत सीमेंट की एक परत रखें. सीमेंट पूरी तरह से पूर्व stereotactic फ्रेम से इलेक्ट्रोड को हटाने के लिए कठोर होने तक प्रतीक्षा करें. बेंड इलेक्ट्रोड पिछड़े और स्थायित्व के लिए इलेक्ट्रोड पथ और कनेक्टर के बाकी को कवर करने के लिए अतिरिक्त सीमेंट का उपयोग करें.
2. fMRI तैयारी
दूसरे चरण के शारीरिक निगरानी उपकरण के कुंडल और सेटअप की स्थिति सहित fMRI के लिए सेटअप है.
- स्कैन के दौरान गति को रोकने के लिए पशु के सिर को सुरक्षित नोट:. एक कस्टम प्लास्टिक intraauricular बार सिस्टम सिर निर्धारण के लिए प्रयोग किया जाता है. कान नहरों में सलाखों प्लेस और सिर वीं में सुचारू रूप से घूमता है कि इतनी बुद्धि के लिए सुरक्षितकोई क्षैतिज रोटेशन के साथ ई ऊर्ध्वाधर दिशा. तंत्र को ऊपरी दांत फिक्सिंग से सिर की स्थिति सुरक्षित.
- पूरी तरह से चूहे anesthetize और सभी स्कैन भर में स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए अंत ज्वार सीओ 2 मॉनिटर. संवेदनाहारी और बेहोश करने की क्रिया एजेंटों की एक किस्म एक समान फैशन में इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि संज्ञाहरण, वेंटिलेशन और नियंत्रण अंत ज्वार सीओ स्कैन के दौरान 2 का स्तर बनाए रखने के लिए, एक isoflurane vaporizer के साथ संयुक्त एक एमआर संगत छोटे जानवर वेंटिलेशन प्रणाली, यहाँ प्रयोग किया जाता है. एक प्रारंभिक मात्रा के रूप में हवा के एक मध्यम मात्रा लगभग 500 मिलीग्राम / मिनट के साथ 45 साँस / मिनट के लिए वेंटीलेटर सेट करें. 2% isoflurane सेट और स्कैन कमरे में चूहे हस्तांतरण. चूहा अंतःश्वासनलीय ट्यूब को वेंटीलेटर के उत्पादन में संलग्न करें और सुरक्षित करने के लिए दृढ़ता से दबाएँ. Capnometry संभव के रूप में अंतःश्वासनलीय ट्यूब कनेक्टर के रूप में बारीकी से जुड़े एक ट्यूब का उपयोग कर हासिल किया जाना चाहिए. 3.3% से 2.6% के एक अंत ज्वार सीओ 2 का उत्पादन करने के लिए वेंटिलेशन मात्रा समायोजित करें. तापमान नियंत्रण के लिए एक परिसंचारी गर्म पानी से स्नान के साथ स्कैनर में चूहे सम्मिलित करने के लिए एक एमआर संगत छोटे जानवर धारक का प्रयोग करें. धारक पर स्नान के पैड टेप और स्वच्छ शोषक कागज के साथ कवर. गर्म पानी के बिस्तर पर चूहे रखें.
- धमनी ऑक्सीजन संतृप्ति और दिल की दर भी उपयोगी शारीरिक मापदंड हैं, जबकि तापमान और कार्बन डाइऑक्साइड का स्तर की निगरानी, बोल्ड fMRI के लिए आवश्यक हैं. एक एमआर संगत गुदा तापमान जांच और पूंछ के आधार पर टेप डालें, और फिर 37 डिग्री सेल्सियस सामान्य शरीर के तापमान को बनाए रखने के लिए पानी के स्नान के तापमान को समायोजित इस्तेमाल किया anesthetics के प्रकार के आधार पर भिन्न हो सकते हैं, जो क्रमश: 95-98% पर उन्हें बनाए रखने और 250-350 bpm, एक छोटे जानवर पल्स oximetry प्रणाली का उपयोग धमनी ऑक्सीजन संतृप्ति और दिल की दर को मॉनिटर. ऑक्सीजन संतृप्ति और दिल की दर दोनों संज्ञाहरण, वेंटिलेशन मात्रा और वेंटिलेशन दर की गहराई से प्रभावित कर रहे हैं. वेंटिलेशन की मात्रा और दर आवश्यकता हो सकती हैध्यान से पर्याप्त अंत ज्वार सीओ 2 का स्तर और पर्याप्त ऑक्सीजन संतृप्ति बनाए रखने के लिए संतुलित किया जाना है.
- एक सतह का तार बोल्ड fMRI अधिग्रहण के लिए आवश्यक है. संभव के रूप में सिर की सतह के करीब सतह का तार रखें. एक बार सुरक्षित, मस्तिष्क की सतह के पास संवेदनशीलता कलाकृतियों को कम करने के क्रम में सीमेंट टोपी पर सिर की सतह पर टूथपेस्ट जगह नोट:. बड़ा सतह coils हो सकता है, हालांकि हम लगभग 1.6 सेमी की एक आंतरिक व्यास के साथ एक घर का बना ट्रांसीवर सतह का तार का उपयोग गहरी subcortical क्षेत्रों में बोल्ड प्रतिक्रिया अनुकूलन करने के लिए प्रयोग किया जाता है.
- एक प्रोग्राम विद्युत उत्तेजक प्रणाली को उत्तेजक इलेक्ट्रोड कनेक्ट नोट:. हम श्री स्कैन से आरएफ excitations को सिंक्रनाइज़ विद्युत दालों देने के लिए एक द्विध्रुवी उत्तेजक से जुड़ा प्रणाली को ट्रिगर एक कस्टम प्रोग्राम टीटीएल का उपयोग करें.
- FMRI डेटा अधिग्रहण के दौरान बेहोश करने की क्रिया और पक्षाघात के लिए, (dexmedetomidine की एक कॉकटेल का उपयोग 0.1मिरगी गतिविधि 2 को रोकने के लिए 0.5% पर कम खुराक isoflurane के साथ संयुक्त मिलीग्राम / किग्रा / घंटा, आईपी) और pancuronium (1 मिलीग्राम / किग्रा / घंटा, आईपी),. पंप चुंबकीय वातावरण में रखा जा रहा है अगर दवा अर्क के लिए, एक एमआर संगत सिरिंज पंप इस्तेमाल किया जाना चाहिए. वैकल्पिक रूप से, एक noncompatible पंप बढ़ाया कैथेटर ट्यूबिंग प्रयोग किया जाता है बशर्ते कि चुंबकीय वातावरण के बाहर रखा जा सकता है.
3. fMRI डेटा Acquistion
तीसरे चरण के लिए स्थिति, shimming, संरचनात्मक स्कैन, और कार्यात्मक स्कैन सहित, fMRI अधिग्रहण है. इस तकनीक को अन्य उच्च क्षेत्र सिस्टम के लिए अनुकूलित और व्यावसायिक तौर पर एमआरआई coils बनाया जा सकता है, हालांकि एक घर का बना सतह तार के साथ एक 9.4 टेस्ला प्रणाली, यहाँ प्रयोग किया जाता है.
- चुंबक के केंद्र में स्कैनर और स्थिति में चूहे डालें. ठीक ब्याज के मस्तिष्क क्षेत्रों के संबंध में चुंबक के भीतर चूहे केंद्र के लिए एक तीन विमान स्काउट छवि का उपयोग करें, और FASTMAP homoge को shimmingहित के क्षेत्रों में चुंबकीय क्षेत्र nize.
- एक बाण के समान टी 2 भारित दुर्लभ अनुक्रम (; मैट्रिक्स आकार, 256 x 256, टुकड़ा मोटाई 1.5 मिमी, टी.आर. / ते, 1500-1511 एमएस, दुर्लभ फैक्टर, 8, कोण फ्लिप, 180 ° FOV, 2.56 X 2.56 सेमी 2) का प्रयोग करें पूर्वकाल संयोजिका का स्थान मिल जाए, और इस स्थान पर बाद में छवियों के लिए पंक्ति में. इस मुद्दे पर आठ टुकड़ा एकल शॉट जीई महामारी स्कैन (टी.आर. / ते, 1000-1014 एमएस, 128 x 128 को खंगाला मैट्रिक्स आकार, 96 x 96,,, टुकड़ा मोटाई, 1mm FOV, 2.56 X 2.56 सेमी 2) संरेखित राज्याभिषेक के उन्मुखीकरण के साथ.
- कार्यात्मक स्कैन के लिए, 40 सेकंड बाकी के द्वारा पीछा किया 20 सेकंड आराम करने के लिए सेट उत्तेजना उत्पादन करने के लिए सिंक्रनाइज़ 1 सेकंड अस्थायी समाधान,, 10 सेकंड उत्तेजना, साथ 70 लगातार महामारी स्कैन का उपयोग करें. Neurovascular वसूली के लिए अनुमति देने के लिए स्कैन के बीच 90 सेकंड का एक न्यूनतम अनुमति दें. औसत से संकेत करने वाली शोर अनुपात में सुधार करने के लिए प्रत्येक उत्तेजना पैरामीटर पर कई दोहराया स्कैन मोल. डमी स्कैन की एक श्रृंखला (आमतौर पर 4-8 का प्रयोग करें) शोर कम करने के लिए स्कैनिंग के लिए तुरंत पहले. औसतन, coregistration और खोपड़ी स्ट्रिपिंग इस सेटिंग में छोड़ दिया जा सकता है, हालांकि, धारा 4 में वर्णित विधि का उपयोग कर प्रयोग की सफलता सुनिश्चित करने के लिए छवि अधिग्रहण के समय पर बोल्ड प्रतिक्रिया की पुष्टि करें.
- कार्यात्मक स्कैनिंग के पूर्ण होने पर, एक टी 2 भारित दुर्लभ स्पिन गूंज अनुक्रम (FOV, 2.56 X 2.56 सेमी 2 का उपयोग करें, मैट्रिक्स आकार, 256 x 256, टुकड़ा मोटाई, 1 मिमी, टी.आर. / ते, 2500/33 एमएस, औसत, 8 ) विवो में इलेक्ट्रोड की शारीरिक स्थिति को मापने के लिए. पूर्वकाल / पीछे, / औसत दर्जे का पार्श्व और पृष्ठीय / वेंट्रल axes साथ इलेक्ट्रोड विरूपण साक्ष्य की नोक उपाय और इलेक्ट्रोड नियुक्ति पुष्टि करने के लिए कई राज्याभिषेक और बाण के समान वर्गों मोल. उच्च संकल्प चुंबकीय अनुनाद माइक्रोस्कोपी (FOV, 1.8 x 1.28 सेमी, मैट्रिक्स आकार, 360 x 256, टुकड़ा मोटाई 0.5 मिमी, टी.आर. / ते, 2500/12.6 एमएस, दुर्लभ कारक, 8, औसत, 280) की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है सम्मान के साथ हटाने के बाद इलेक्ट्रोड पथ का सटीक स्थानपास के neuroanatomical संरचनाओं को और इलेक्ट्रोड नियुक्ति 3 की सटीकता की पुष्टि करें.
4. fMRI डेटा प्रोसेसिंग और विश्लेषण
चौथे चरण के प्रसंस्करण और प्रतिक्रिया नक्शे और प्रतिशत बोल्ड संकेत परिवर्तन की गणना की पीढ़ी सहित fMRI डेटा का विश्लेषण है. एक कंप्यूटिंग वातावरण में (उदाहरण MATLAB) या वाणिज्यिक fMRI सॉफ्टवेयर उपकरणों (जैसे. एसपीएम, FSL, या AFNI) चल कस्टम कार्यक्रमों नियोजित किया जा सकता है.
- भर में इस विषय के द्वारा पीछा किया, भीतर विषय आवृत्ति से पहले छवि coregistration और डेटा की औसत के साथ शुरू करो नोट:. हम इस का उपयोग एसपीएम कोड पूरा.
- संकेत thresholding साथ ब्याज की मैन्युअल रूप से परिभाषित क्षेत्र (आरओआई) का उपयोग nonbrain ऊतक निकालने के लिए अलग करना खोपड़ी प्रदर्शन करना. स्वचालित खोपड़ी अलग करना एल्गोरिदम नियोजित किया जा सकता है.
- बोल्ड छोड़कर बीच संबंधों के सहसंबंध गुणांक की गणना के द्वारा प्रतिक्रिया नक्शे संकलित करेंसमय और प्रत्येक voxel के लिए उत्तेजना प्रतिमान से अधिक ponse. Hemodynamic प्रतिक्रिया में देरी के लिए खाते में प्रतिमान कई सेकंड देरी आवश्यक हो सकता है. पी पर सेट महत्वपूर्ण स्तर <Bonferroni सुधार के बाद 0.05. अन्य सांख्यिकीय तरीकों नियोजित किया जा सकता है. गाऊसी यादृच्छिक क्षेत्र के आधार पर रैंडम फील्ड थ्योरी या क्लस्टर स्तर के सुधार का उपयोग कर कई तुलना के लिए संशोधन अधिक संवेदनशील विश्लेषण 4 Bonferroni सुधार की जगह में किया जा सकता है:. Hemodynamic देरी लक्षित मस्तिष्क क्षेत्रों के आधार पर भिन्न हो सकते हैं, pharmacologic एजेंटों का उपयोग किया था और शारीरिक मापदंड. यह विषय के भीतर और बीच विषयों परिवर्तनशीलता को रोकने के क्रम में इन मानकों को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है.
- समय पाठ्यक्रम डेटा निकालने के लिए एक रॉय को परिभाषित द्वारा बोल्ड प्रतिक्रिया यों. एक ही संरचनात्मक ढांचे के भीतर सभी voxels भर प्रतिशत संकेत परिवर्तन औसत. जनरल रेखीय मॉडल का उपयोग voxel वार विश्लेषण भी 5 इस्तेमाल किया जा सकता है.
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Representative Results
प्रतिनिधि कार्यात्मक डेटा दाईं ओर सबथैलेमिक नाभिक को प्रत्यारोपित एक उत्तेजक इलेक्ट्रोड के साथ एक भी चूहा में ऊपर प्रोटोकॉल के अनुसार हासिल किया गया. डीबीएस fMRI छवि अधिग्रहण के लिए आवश्यक सेटअप का एक उदाहरण चित्र 1 में प्रदान की जाती है. उत्तेजना 0.3 मा, 130 हर्ट्ज और 0.09 मिसे की पल्स चौड़ाई की आवृत्ति के एक आयाम के साथ, ऊपर प्रोटोकॉल के साथ संगत लागू किया गया था. Ipsilateral मोटर प्रांतस्था के मजबूत सक्रियण लगातार उत्तेजना लक्ष्य के रूप में सबथैलेमिक नाभिक के साथ इस प्रोटोकॉल का उपयोग कल्पना की गई है. एक वर्ग की लहर उत्तेजना पैटर्न के साथ, बोल्ड संकेत उत्तेजना अवधि के लिए सहसंबद्ध एक समय के पाठ्यक्रम के साथ आधारभूत (कोई उत्तेजना हालत) के लिए सम्मान के साथ संग्राहक होने की उम्मीद की जाएगी. यहाँ सकारात्मक बोल्ड प्रतिक्रियाओं के खाते में एक ले रही है, उम्मीद मस्तिष्क क्षेत्र (चित्रा 2) में और उत्तेजना प्रतिमान को अच्छी तरह से सहसंबद्ध एक पर / बंद पैटर्न के साथ मनाया जाता है संक्षिप्त hemodynamic देरी (चित्रा 3). मानचित्र (चित्रा 2) से, एक मढ़ा neuroanatomical एटलस 1 व्यक्ति मस्तिष्क क्षेत्रों में बोल्ड प्रभाव तुलना करने के लिए ब्याज की सटीक क्षेत्रों को परिभाषित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. हित के क्षेत्रों में किसी भी मस्तिष्क क्षेत्र में रखा जा सकता है, हालांकि STN डीबीएस के लिए मोटर प्रांतस्था पर बोल्ड प्रतिक्रिया, 3 चित्र में दिखाया गया है. ये प्रतिक्रियाएं तो स्कैन और फिर विषयों उत्तेजना के लिए एक सुसंगत प्रतिक्रिया का उत्पादन जो मस्तिष्क क्षेत्रों की पहचान करने के लिए बीच बीच में औसतन किया जा सकता है. अन्य neuroanatomical संरचनाओं का लक्ष्य निर्धारण इस प्रयोग में दिखाया गया है उन लोगों से अलग प्रतिक्रिया पैटर्न का उत्पादन हो सकता है. इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रोड नियुक्ति में अशुद्धि की भी एक छोटी सी डिग्री इलेक्ट्रोड प्रकार और बिजली की उत्तेजना मानकों 3 मई मतभेद के रूप में, जवाब में बड़े मतभेद उत्पन्न कर सकता है.
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चित्रा 1. सतह का तार, इलेक्ट्रोड स्थिति और उत्तेजक तुल्यकालन के साथ बुनियादी fMRI विन्यास की योजना.
चित्रा 2. स्लाइस पूर्वकाल के लिए पीछे के साथ, एक भी पशु से सहसंबंध गुणांक के साथ लेबल प्रतिनिधि महामारी छवियों बाएं से दाएं प्रदर्शित. रंग पट्टी प्रत्येक voxel में सहसंबंध गुणांक इंगित करता है.
चित्रा 3. एक भी पशु से समय के साथ बोल्ड ठेठ% पर एकाधिक स्कैन से अधिक औसतएक ही उत्तेजना पैरामीटर: 0.3 मा, 130 हर्ट्ज, 0.09 मिसे पल्स चौड़ाई पीला बार उत्तेजना सबथैलेमिक नाभिक को लागू किया गया था, जिसमें समय की अवधि इंगित करता है.. . आरओआई नोट मोटर प्रांतस्था के भीतर था: ये उत्तेजना मापदंडों STN पर डीबीएस के लिए मानक सीमा के भीतर कर रहे हैं, लेकिन वैकल्पिक उत्तेजना साइटों के लिए संशोधित करने की आवश्यकता हो सकती है.
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Discussion
एक साथ डीबीएस और fMRI vivo में, तंत्रिका सर्किट उत्तेजना को वैश्विक नीचे की ओर प्रतिक्रियाओं की पहचान और लक्षण वर्णन के लिए एक होनहार प्रयोगात्मक टूलकिट का प्रतिनिधित्व करता है. ऐसे electrophysiological रिकॉर्डिंग के रूप में अन्य उपलब्ध साधनों, पर इस तकनीक का प्रमुख लाभ, मस्तिष्क के ऊतकों के एक बड़े और विविध क्षेत्र में किसी भी लक्ष्य पर डीबीएस के लिए जवाबदेही के लिए जांच की जा सकती है जिससे fMRI, का अपेक्षाकृत निष्पक्ष प्रकृति में निहित है. वर्णित प्रोटोकॉल चूहे में डीबीएस-fMRI के लिए विशिष्ट है, डीबीएस प्रतिक्रियाओं की न्यूरोइमेजिंग भी सफलतापूर्वक सूअरों 6 सहित अन्य मॉडल जीवों में आयोजित किया गया है.
शायद इस तकनीक के लिए सबसे स्पष्ट आवेदन कुछ तंत्रिका विज्ञान और मनोरोग विकार, IE के लिए चिकित्सा के रूप में लागू डीबीएस की मॉडलिंग है. पार्किंसंस रोग 7-9. पार्किंसंस रोग के रोगियों में, उच्च आवृत्ति उत्तेजना subth या तो परalamic नाभिक (STN) या आंतरिक ग्लोबस पैलिडस (जीपीआई) कई मोटर लक्षण 10 के उन्मूलन के लिए प्रभावी है. दोनों विहित मोटर और लिम्बिक क्षेत्र S6 भीतर पर्याप्त सक्रियण में इन लक्ष्यों परिणामों में से किसी में उच्च आवृत्ति डीबीएस. इन स्थानिक गतिशील fMRI प्रतिक्रियाओं के लक्षण, व्यवहार विश्लेषण से पूरित है, जब चिकित्सीय डीबीएस सर्किट की पहचान करने में सहायता कर सकते हैं. इस तरह के अध्ययन से निष्कर्ष निकाला आसानी से विशेष रूप से मौजूदा लक्ष्य और विभिन्न रोगों और विकारों के लिए नए लक्ष्य के लिए डीबीएस के विस्तार पर डीबीएस के शोधन के लिए, क्लिनिक में अनुवाद होना चाहिए.
कई विशिष्ट सीमाओं डीबीएस-fMRI के लिए विशेष रूप से प्रासंगिक हैं हालांकि fMRI के जनरल सीमाओं बड़े पैमाने पर, कहीं 11 समीक्षा की गई है. डीबीएस पर्याप्त रूप से fMRI साथ हल नहीं किया जा सकता है कि सेलुलर गतिविधि 12 में अस्थायी गतिशील परिवर्तन में हो सकता है. महीन अस्थायी आवश्यकता के प्रयोगों के लिएसे संकल्प वर्तमान में अकेले fMRI द्वारा की पेशकश की जा सकती है, हम fMRI 13-15 के साथ संयोजन के रूप में प्राप्त किया जा सकता है जो electrophysiological रिकॉर्डिंग, सुझाव देते हैं. एक अतिरिक्त अंक तंत्रिका गतिविधि 16-21 के जवाब में मनाया जटिल बोल्ड प्रतिक्रियाओं का सवाल है. अकेले fMRI डेटा के आधार पर इस मॉडुलन की दिशा inferring जब सावधानी से लिया जाना चाहिए, हालांकि fMRI, डीबीएस द्वारा संग्राहक क्षेत्रों का पता लगाने के लिए अनुमति देता है. कई fMRI तौर तरीकों (जैसे बोल्ड, मस्तिष्क रक्त प्रवाह, मस्तिष्क रक्त की मात्रा, कार्यात्मक कनेक्टिविटी, और मैंगनीज बढ़ाकर एमआरआई), और साथ ही electrophysiological और ऊतकीय डेटा के आवेदन, इस तरह के निष्कर्ष को मजबूत करना चाहिए.
इस प्रोटोकॉल में दिए गए विवरण में से तत्काल 22 को लक्षित optogenetic सहित वैकल्पिक उत्तेजना के तरीकों, के लिए अपनाया जा सकता है. Optogenetic प्रयोगों के लिए, एक लेजर चालक लास के ट्रिगर टीटीएल प्राप्त करने के लिए उत्तेजना सॉफ्टवेयर के साथ interfaced किया जा सकता हैदालों एर. इस तरह के प्रयोगों के लिए, यह ऑप्टिक फाइबर स्कैनर कमरे के बाहर स्थित एक लेजर चालक को मिलकर किया जा सकता है, ताकि उचित लंबाई के एक पैच केबल का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण है. ऑप्टो fMRI बिजली डीबीएस-fMRI प्रतिक्रियाओं को आसानी से विशिष्ट सर्किट की भर्ती के लिए जिम्मेदार ठहराया नहीं जा सकता है, जबकि आनुवंशिक रूप से परिभाषित सेल आबादी के भीतर गतिविधि के चुनिंदा मॉडुलन द्वारा प्रेरित neurovascular परिवर्तन का पता लगाने के लिए अनुमति देता है. फिर भी, बिजली डीबीएस केवल रोगी आबादी में बिजली की उत्तेजना पर निर्भर करता है जो चिकित्सीय डीबीएस, अध्ययन के लिए अधिक से अधिक translational मूल्य की संभावना है.
सुरक्षा और स्थानीय ऊतकों को नुकसान के लिए चिंता दोनों नैदानिक और पशु अनुसंधान सेटिंग में एक साथ डीबीएस साथ न्यूरोइमेजिंग के लिए महत्वपूर्ण विचार कर रहे हैं, और बड़े पैमाने पर अन्यत्र (कारमाइकल 23,24) पर चर्चा की गई है. कई एमआरआई दृश्यों महत्वपूर्ण हीटिंग और ऊतकों को नुकसान का कारण क्षमता है, उत्तेजना पैरामीटरND इस प्रोटोकॉल में स्कैन दृश्यों इन कारकों, बाकी समय के बीच प्रत्येक स्कैन अनुक्रम की विशेष रूप से लंबाई कम करने के लिए तैयार कर रहे हैं. जैसे, स्कैन के दर्जनों के बाद उत्तेजना के लिए प्रतिक्रियाओं पायलट अध्ययन में लगातार टिकाऊ हैं, और स्थानीय ऊतकों को नुकसान का कोई संकेत नहीं इस प्रोटोकॉल मौजूदा वितरण और इस्तेमाल किया इलेक्ट्रोड के एमआर अनुकूलता के संबंध के साथ सुरक्षित है, पुष्टि है कि पोस्टमार्टम इमेजिंग पर देखा जाता है .
डीबीएस के जवाब में क्षेत्रीय मॉडुलन प्रोफाइल के बारे में दी गयी जानकारी के धन के साथ मिलकर वर्णित डीबीएस-fMRI प्रक्रिया का लचीलापन, सिस्टम स्तर के तंत्रिका विज्ञान में आवेदनों की एक किस्म के लिए इस प्रक्रिया को आदर्श बनाने की.
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Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
Acknowledgments
हम फिल्माने के साथ सहायता के लिए Shaili झा और हीथ Decot धन्यवाद.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Isoflurane (Forane) | Baxter | 1001936060 | |
| Dexmedetomidine (Dexdomitor) | Pfizer | 145108-58-3 | |
| Pancuronium Bromide | Selleckchem | S2497 | |
| 9.4 T Small Animal MRI | Bruker | BioSpec System with BGA-9S gradient | |
| Sterotactic Frame | Kopf | Model 962 | |
| Small Animal Ventilator | CWE, Inc. | 12-02100 | Model SAR-830 |
| Dental Cement | A-M Systems | 525000 | Teets Cold Curing |
| MouseOx Plus System | STARR Life Science Corp. | ||
| Capnometer | Surgivet, Smith Medical | V9004 Series | |
| Stimulus Isolator | World Precision Instruments | Model A365 | |
| MR-compatible Brass Screws | McMaster Carr | 94070A031 | 0-80 thread size, 1/4 in. Can be cut to desired length. |
| Tungsten Wire | California Fine Wire Company | 100211 | Used to construct MR-compatible stimulating microelectrode |
| Syringe Pump | Harvard Appartus | Model PHD 2000 (not MRI-compatible) |
References
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