Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Dyp hjernestimulering med Simultaneous fMRI i Gnagere

Published: February 15, 2014 doi: 10.3791/51271
Automatic Translation
1,2,5, 1,2,4, 1,2,3,4
1Department of Neurology, University of North Carolina, 2Biomedical Research Imaging Center, University of North Carolina, 3Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina, 4Curriculum in Neurobiology, University of North Carolina, 5School of Medicine, University of North Carolina

Summary

Denne protokollen beskriver en standard metode for samtidig funksjonell magnetisk resonans imaging og dyp hjernestimulering i gnager. Den kombinerte bruk av disse eksperimentelle verktøy gjør det mulig for utforskning av global nedstrøms aktivitet som reaksjon på elektrisk stimulering i praktisk talt alle hjerne målet.

Abstract

For å visualisere de globale og nedstrøms nevrale responser til dyp hjernestimulering (DBS) på ulike mål, har vi utviklet en protokoll for bruk av blod oksygen nivå avhengig (BOLD) funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) til bilde gnagere med samtidig DBS. DBS fMRI presenterer en rekke tekniske utfordringer, inkludert nøyaktigheten av elektrode implantasjon, MR gjenstander skapt av elektroden, valg av anestesi og lamme til å minimalisere eventuelle nevrale effekter samtidig eliminere dyr bevegelse, og vedlikehold av fysiologiske parametre, avvik fra noe som kan forvirre BOLD signal. Vårt laboratorium har utviklet et sett med prosedyrer som er i stand til å overvinne de fleste av disse mulige problemer. For elektrisk stimulering, er en hjemmelaget wolfram bipolar microelectrode brukes, settes stereotactically ved stimulering stedet i bedøvet faget. I forberedelsene til bildebehandling, er gnagere fast på en plast headpiece ogoverføres til magneten boringen. For sedasjon og lammelser under skanning, er en cocktail av deksmedetomidin og pancuronium kontinuerlig tilført, sammen med en minimal dose av isofluran, dette preparatet minimerer BOLD taket effekten av flyktige anestetika. I dette eksempelet eksperiment, stimulering av subthalamic nucleus (STN) produserer BOLD responser som er observert hovedsakelig i ipsilaterale kortikale regioner, sentrert i motor cortex. Samtidig DBS og fMRI tillater entydig modulering av nevrale kretser avhengig av stimulering beliggenhet og stimuleringsparametere, og tillater observasjon av nevrale modulasjoner gratis av regional skjevhet. Denne teknikken kan brukes til å utforske de nedstrøms effekter av modulerende nevrale kretser i nesten hvilken som helst hjernen regionen, med implikasjoner for både eksperimentelt og klinisk DBS.

Introduction

Bestemme de globale nedstrøms effekter av nevral krets aktivitet representerer en stor utfordring og mål for mange områder av systemer nevrovitenskap. Et sparsomt med verktøy er for tiden tilgjengelig som møter dette behovet, og det er dermed et behov for økt tilgjengelighet av de aktuelle forsøksoppsett. En slik metode for å vurdere den globale konsekvens av nevral krets aktivering avhengig av samtidig anvendelse av dyp hjerne elektrisk stimulering (DBS) og funksjonell MR (fMRI). DBS-fmri muliggjør påvisning av nedstrøms responser på krets aktivering på en stor romlig skala, og kan anvendes på nesten alle stimulering målet. Dette verktøysettet er svært egnet for translasjonsforskning prekliniske studier, blant annet karakterisering av tiltak mot terapeutisk høyfrekvent stimulering.

I tillegg til å få tilgang til en egnet MR-skanner, vellykkede DBS-fMRI eksperimenter kreve hensyntagen til et antall variables, blant annet elektrodetypen, sedasjon metoden, og opprettholdelse av fysiologiske parametre. For eksempel bør elektrode valget være basert på faktorer knyttet til stimulerings effekt (f.eks. Bly størrelse og konduktans, mono-vs bipolar), så vel som MR-kompatibilitet og elektrode gjenstand størrelse. Elektrode gjenstander varierer med elektrodemateriale og størrelse, så vel som den skannesekvens benyttes; grundig før eksperimentell testing skal benyttes for å bestemme den riktige elektrodetype for hver undersøkelse. Generelt er wolfram Micro elektroder anbefales for denne protokollen. Valg av lamme-og beroligende bør gjøres for å effektivt immobilisere dyret og redusere de undertrykkende effekter av visse beroligende midler på blod-oksygen-nivå avhengig (BOLD) signal. Endelig er det viktig å holde dyret på optimale fysiologiske parametere, inkludert kroppstemperatur, og oksygenmetning.

Protokollen som vi har utviklet for DBS-FMRI overvinner mange av disse potensielle hindringer, og i våre hender, gir robuste og konsistente resultater. I tillegg kan disse eksperimentelle prosedyrer lett kan vedtas for kombinasjonen av fmri med alternative stimuleringsmetoder, inkludert optogenetic stimulering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Etikk Uttalelse: Denne prosedyren er i samsvar med National Institutes of Health Retningslinjer for forsøksdyr (Guide for omsorg og bruk av forsøksdyr) og er godkjent av University of North Carolina Institutional Animal Care og bruk komité.

En. Elektrode Implantasjon

Det første trinnet er elektrode implantasjon. I dette trinnet blir en elektrode ensidig implantert i subthalamic kjernen (STN), en liten kjerne med translasjons betydning for Parkinsons sykdom, behandling ved hjelp av følgende metoder:

  1. Sterilisere all kirurgisk utstyr ved hjelp av en autoklav, eller antiseptisk løsning der autoklavering er ikke mulig (for eksempel for elektrode sterilitet). Merk: Dette er en kortsiktig overlevelse kirurgi, og dermed aseptisk teknikk er viktig. Etter operasjonen, kan dyrene bli fotografert etter en kort utvinning perioden (48 timer) eller opp til flere uker senere.
  2. Anesthetize rat (voksen Sprague-Dawley hunnrotter 250-400 g) ved bruk av 2,5% isofluran administreres via endotracheal intubasjon og et lite dyr ventilator. Fest rotte til en stereotaktisk kirurgisk ramme og forberede det kirurgiske området ved hjelp av aseptisk teknikk.
  3. Utarbeide og sikre at elektroden er steril. En hjemmelaget 2-kanals wolfram mikrotråden elektroden brukes for denne fremgangsmåten, selv om mange MR-kompatible elektrodetyper vil fungere. Denne elektrodetype som anvendes kan påvirke område av vev mekanisk skadet ved fremgangsmåten, i området av vev stimulert, og nøyaktigheten av implantering, noe som påvirker den generelle eksperimentelle resultat. Hvis elektrodetypen er ikke i stand til å autoklaveres, bruk povidon-jod antiseptisk å sterilisere elektroden så langt det er mulig.
  4. Bruke saks fjerne hodebunnen over implantasjonsstedet med en diameter på ca 1,5 cm, for å avdekke bregma og lambda på skallen. Ta av muskel og fascia overliggende skallenog stoppe all blødning ved bruk av elektrokirurgi.
  5. Skrap skallen overflaten i flere retninger med en skalpell for å forbedre dental sement vedheft (trinn 1,8). Nivå Bregma og Lambda i horisontal retning.
  6. . Å målrette STN, på 3,6 mm posterior til Bregma og 2,5 mm lateralt for midtlinjen, kan du bruke en liten tupp elektrisk drill til å lage en Burr hull som måler ca 1,5 mm i diameter Merk: Den nøyaktige plasseringen av STN i referanse til stereotaksisk koordinater kan varierer fra rotte belastning, vekt og kjønn. Voksne rotter av samme kjønn bør brukes for å minimalisere enhver variasjon i plasseringen. Hvis mulig, bør pre-operative anatomiske skanner eller intra elektriske innspillinger brukes til å identifisere STN plassering på individuell emne basis. Videre bør elektrodetermineringssider være histologisk verifisert å sikre target nøyaktighet.
    1. Kontroller nøye snitt i dura, og bruke små sløv tang til å flytte dura til sidene av the hullet. Stopp blødninger ved bruk av steril bomull dynket i saltvann. Lag hull for en eller flere MR-kompatible skruer) og sett dem forsiktig i skallen til de er stabile. Skruer kan plasseres på hvilket som helst sted hvor de ikke vil forstyrre plasseringen av den utvendige kontakt for DBS-elektrode (f. eks. Ikke direkte bak STN ipsilateral til elektroden). Det anbefales plasseringer på de laterale kanter av skallen, ideelt direkte posterior til lambda sutur. På dette punktet, er skallen relativt tykk, noe som reduserer sannsynligheten for at skruene skal skade cortex "Merk:. Messing skruer kuttet til 4-5 mm i lengde er brukt i denne protokollen, selv om plastskruer er også egnet.
  7. Plasser elektrode på stereotactic arm, slik at den er rett og vertikal. Trykk elektroden til Bregma, deretter flytte elektroden nøyaktig 3,6 mm posterior til Bregma og 2,5 mm lateralt for midtlinjen og berør kortikale overflatenmed elektroden. Fra kortikale overflaten, setter elektrode 7,8 mm ventrally. Disse koordinatene er fastsatt med utgangspunkt i en nevroanatomi atlas en.
  8. Plasser et lag av dental sement over skallen inkludert skallen skruer og elektrode innsettingspunktet. Vent inntil sementen er herdet før fjerning av elektroden fra stereotaktisk ramme. Bend elektroden bakover og bruke ekstra sement for å dekke resten av elektrodekanalen og kontakten for holdbarhet.

2. fMRI Forberedelse

Det andre trinnet er oppsettet for fMRI, herunder plassering av spolen og oppsett av fysiologisk overvåkingsutstyr.

  1. Sikre dyrets hode for å hindre bevegelse under skanningen. Merk: En tilpasset plast intraauricular bar systemet brukes her for hodefiksering. Plasser stengene inn i øregangene og fest til hovedstillingen slik at hodet roterer jevnt i the vertikal retning med ingen horisontale rotasjon. Fest hodeposisjon ved å feste den øvre tennene til apparatet.
  2. Anesthetize rotte helt og overvåke endetidal CO 2 for å sikre stabilitet i alle skanninger. For å opprettholde anestesi, ventilasjon og regulering end tidal CO to nivåer under skanning, er en MR-kompatibel små dyr ventilasjonssystem i kombinasjon med en isofluran fordamper benyttes her, skjønt en rekke anestesi og sedasjon midler kan anvendes på en lignende måte. Sett ventilator til 45 pust / min med et moderat volum, ca 500 ml / min med luft som startvolum. Sett isofluran til 2% og overføre rat inn i skanne rommet. Fest viftens ytelse til rotte Trachealtube og trykker fast å sikre. Capnometry bør anskaffes ved hjelp av en slange tilkoblet som tett til endotrakealt rør-kontakt som mulig. Juster ventilasjonsvolum for å frembringe et slutt-tide CO 2 på 2,6% til 3,3%. Bruk en MR-kompatible små dyr holder å sette inn rotte inn i skanneren med en sirkulerende varmt vannbad for temperaturkontroll. Tape puten av badekaret på holderen og dekke den med ren absorberende papir. Plasser rat på den varme vannseng.
  3. Overvåking av temperatur og karbondioksidnivået er avgjørende for BOLD fMRI, mens arteriell oksygenmetning og puls er også nyttige fysiologiske parametre. Sett en MR-kompatibel rektal temperaturprobe og tape det til haleroten, og deretter justere temperaturen i vannbadet for å opprettholde normal kroppstemperatur på 37 ° C. Monitor arteriell oksygenmetning og puls ved hjelp av et lite dyr pulsoksymetri system, holde dem på 95-98% og 250-350 bpm, henholdsvis, noe som kan variere avhengig av hvilken type bedøvelse som brukes. Oksygenmetning og puls er begge påvirket av anestesidybden, ventilasjonsvolum og ventilasjonsrate. Ventilasjon volum og hastighet kan trengeå være nøye balansert for å opprettholde tilstrekkelig end-tidal CO 2 nivåer og tilstrekkelig oksygenmetning.
  4. En overflate spole er nødvendig for BOLD fMRI oppkjøpet. Plasser overflaten spolen så nær overflaten av hodet som mulig. Når det er sikret, plasserer tannkrem på overflaten av hodet på sement hetten for å redusere resistens gjenstander i nærheten av hjernens overflate. Merk: Vi bruker en hjemmelaget transceiver overflate spole med en innvendig diameter på omtrent 1,6 cm, selv om større overflate-spoler kan være brukes for å optimalisere BOLD respons på dypere subkortikale regioner.
  5. Koble stimulerende elektrode til en programmerbar elektrisk stimulator system. Merk: Vi bruker en skreddersydd programmerbar TTL utløsende system koblet til en bipolar stimulator for å levere elektriske pulser synkronisert til RF eksitasjoner fra MR.
  6. For sedasjon og lammelser i fMRI datainnsamling, bruke en cocktail av dexmedetomidin (0,1mg / kg / time, ip) og pancuronium (1 mg / kg / time, ip), kombinert med en lav dose isofluran ved 0,5% for å hindre epileptisk aktivitet 2. For medikamentinfusjon, må et MR-kompatibel sprøytepumpe benyttes hvis pumpen skal plasseres i det magnetiske miljøet. Alternativt kan en ikke-kompatible pumpe plasseres utenfor det magnetiske miljøet forutsatt at utvidet kateterslangen blir brukt.

Tre. fMRI data Anskaffelses

Det tredje trinnet er fMRI oppkjøpet, inkludert posisjonering, mellomlegg, anatomiske skanner, og funksjonelle skanninger. En 9,4 Tesla system med en hjemmelaget overflate pole er brukt her, selv om denne teknikken kan tilpasses andre høy feltsystemer og kommersielt laget MRI-spoler.

  1. Sett rat til skanneren og posisjon i midten av magneten. Bruk en tre-plane scout bilde nettopp sentrere rat inne i magneten i forhold til de områder av hjernen av interesse, og FASTMAP mellomlegg for å homokjenner det magnetiske felt på regioner av interesse.
  2. Bruk en sagittal T2-vektet RARE sekvens (FOV, 2,56 x 2,56 cm 2; matrise størrelse, 256 x 256, skivetykkelse, 1,5 mm, TR / TE, 1500-1511 ms; RARE Factor, 8 Vend Angle, 180 °) å finne plasseringen av fremre commissure, og justere etterfølgende bilder til denne plasseringen. Rett åtte-slice single-shot GE-EPI skanner (FOV, 2,56 x 2,56 cm 2, matrisestørrelse, 96 x 96, rekonstruert til 128 x 128, slice tykkelse, 1mm, TR / TE, 1000-1014 ms) til dette punktet med koronal orientering.
  3. For funksjonelle skanner, bruker 70 sammenhengende EPI skanninger med en andre tidsmessig oppløsning synkronisert til stimulering utgang, satt til 20 sek hvile, 10 sek stimulering, etterfulgt av 40 sek hvile. Tillat minimum 90 sek mellom skanninger å tillate nevrovaskulære utvinning. Erverve flere gjentatte skanninger hver stimulering parameter for å forbedre signal-til-støy-forhold ved gjennomsnitt. Bruk en rekke dummy skanninger (typisk 4-8) Umiddelbart før skanning for støyreduksjon. Bekreft BOLD respons på det tidspunktet bildet oppkjøpet for å sikre suksess for forsøket ved hjelp av metoden beskrevet i kapittel 4, om gjennomsnittsberegning, coregistration og skalle-stripping kan hoppes i denne innstillingen.
  4. Etter funksjonell skanningen er fullført, kan du bruke en T2-vektet RARE spin-ekko sekvensen (FOV, 2,56 x 2,56 cm 2; matrise størrelse, 256 x 256, skivetykkelse, 1 mm, TR / TE, 2500/33 ms, gjennomsnitt, 8 ) for å måle den anatomiske stilling av elektroden in vivo. Erverve flere koronale og sagittal seksjoner for å måle spissen av elektroden gjenstand langs anterior / posterior, medial / lateral og rygg / ventral akser og bekreft elektrodeplasseringen. Høy oppløsning magnetisk resonans mikroskopi (FOV, 1,8 x 1,28 cm, matrix størrelse, 360 x 256, slice tykkelse, 0,5 mm, TR / TE, 2500/12.6 ms; RARE faktor, 8; gjennomsnitt, 280) kan brukes til å undersøke presis lokalisering av elektrodekanalen etter fjerning med hensyntil nærliggende nevroanatomi strukturer og bekrefte riktigheten av elektrodene skal plasseres tre.

4. fMRI databehandling og analyse

Det fjerde trinnet er bearbeiding og analyse av fMRI data, inkludert generering av respons kart og beregning av prosent BOLD signalendring. Egendefinerte programmer som kjører innenfor et datamiljø (f.eks MATLAB) eller kommersielle fMRI programvareverktøy (f.eks. SPM, FSL, eller AFNI) kan benyttes.

  1. Begynn med bilde coregistration og gjennomsnitt av data første innen-faget etter frekvens, fulgt av over-faget. Merk: Vi oppnår dette ved hjelp av SPM-koder.
  2. Utfør skallen stripping å fjerne nonbrain vev ved hjelp av manuelt definert region av interesse (ROI) med signal thresholding. Automatiske skull stripping algoritmer kan anvendes.
  3. Kompilere respons kart ved å beregne korrelasjonskoeffisienten av forholdet mellom BOLD response over tid og stimulering paradigme for hver voksel. Utsette The Paradigm flere sekunder å ta hensyn til forsinkelse i hemodynamisk respons kan være nødvendig. Sett betydelig nivå på P <0,05 etter Bonferronikorreksjon. Andre statistiske metoder kan anvendes. Korrigering for multiple sammenligninger ved hjelp av tilfeldige Feltet Theory eller cluster-nivå korreksjon basert på Gaussian Random Feltet kan utføres i stedet for Bonferronikorreksjon for mer sensitive analyser 4 Merk:. Den hemodynamiske forsinkelse kan variere basert på hjernen regioner målrettet, farmakologiske stoffer som brukes, og fysiologiske parametre. Det er viktig å kontrollere disse parameterne for å hindre variasjon innenfor fag og mellom-fag.
  4. Kvantifisere BOLD respons ved å definere en ROI for å trekke ut tiden-kurs data. Gjennomsnittlig prosentvis signalendring på tvers av alle vokslene innen samme anatomiske strukturen. Voksel-messig analyse ved hjelp av den generelle lineær modell kan også benyttes 5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representative funksjonelle data ble kjøpt i henhold til den ovennevnte protokoll i en enkelt rotte med en stimulerende elektrode implantert til subthalamic kjernen på høyre side. En illustrasjon av essensielle oppsett for DBS fMRI bilde oppkjøpet er gitt i Figur 1. Stimulering ble anvendt i samsvar med den ovennevnte protokoll, med en amplitude på 0,3 mA, frekvens på 130 Hz og pulsbredde på 0,09 millisekunder. Robust aktivering av ipsilaterale motor cortex har vært konsekvent visualisert ved hjelp av denne protokollen med subthalamic kjernen som stimulering målet. Med en firkant-bølgestimulering mønster, ville BOLD signal kan forventes å bli modulert i forhold til grunnlinjen (no-stimulering tilstand) med et tidsforløp korrelert til stimuleringsperioden. Her positive BOLD respons er observert i den forventede hjernen regionen (figur 2), og med en ON / OFF mønster godt korrelert til stimulering paradigmet, hensyntatt en Kort hemodynamiske forsinkelse (fig. 3). Fra kartet (Figur 2), kan et overleggsnevroanatomi atlas 1 brukes til å definere presise regioner av interesse å sammenligne BOLD effekt på enkelte områder av hjernen. For STN DBS BOLD respons på motor cortex er vist i figur 3, selv om regioner av interesse, kan være plassert i en hvilken som helst av hjernen. Disse reaksjoner kan så i gjennomsnitt mellom skanninger og deretter mellom fag for å identifisere områder av hjernen som frembringer en ensartet respons på stimuleringen. Målretting av andre nevroanatomi strukturer kan gi ulike reaksjonsmønster enn de som vises i dette eksperimentet. I tillegg kan til og med en liten grad av unøyaktighet i plassering av elektrodene produsere store forskjeller i respons, da det kan forskjellene i elektrodetyper og elektrisk stimuleringsparametere 3.

/ Ftp_upload/51271/51271fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51271/51271fig1.jpg "/>
Figur 1. Ordningen med grunnleggende fMRI konfigurasjon med overflate coil, elektrode posisjon og stimulator synkronisering.

Fig. 2
Figur 2. Representative EPI bilder merket med korrelasjonskoeffisienter fra et enkelt dyr, med bakre til fremre skiver vises venstre mot høyre. Color bar indikerer korrelasjonskoeffisienter på hver voxel.

Figur 3
Figur 3. Typisk% BOLD over tid fra et enkelt dyr i gjennomsnitt over flere skanningerde samme stimuleringsparametere: 0,3 mA, 130 Hz, 0,09 msek pulsbredde Yellow strek viser tidsrom hvori stimulering ble påført på subthalamic kjernen.. ROI var innen motor cortex. Merk: Disse stimuleringsparametere er innenfor standardsortimentet for DBS på STN, men må kanskje endres for alternativ stimulering sider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Samtidig DBS og fmri representerer en lovende eksperimentell verktøykasse for identifikasjon og karakterisering av de globale nedstrøms responser på nevrale krets stimulering in vivo. Den store fordelen med denne teknikken over andre tilgjengelige verktøy, for eksempel elektrofysiologiske opptak, ligger i den relativt objektiv natur fMRI, der et stort og mangfoldig område av hjernevev kan undersøkes for respons til DBS på noen mål. Selv om den beskrevne protokoll er spesifikk for DBS-fmri i rotte, neuroimaging av DBS-responser er også med hell utført i andre modellorganismer, inkludert griser 6.

Kanskje den mest åpenbare bruksområdet for denne teknikken er modellering av DBS som brukes terapeutisk for enkelte nevrologiske og psykiatriske lidelser, dvs.. Parkinsons sykdom 7-9. I pasienter med Parkinsons sykdom, høyfrekvent stimulering på enten subthalamic nucleus (STN) eller intern globus pallidus (GPi) er effektiv for å lindre mange motoriske symptomer 10. Høye frekvenser DBS i hver av disse er rettet mot resulterer i betydelig aktivering innen både kanonisk motor-og limbiske område s6. Karakteriseringen av disse romlig fMRI dynamiske responser, når supplert med adferdsanalysen, kan hjelpe til i identifiseringen av terapeutiske DBS-kretser. Konklusjonene fra slike studier bør lett oversette til klinikken, spesielt for foredling av DBS på eksisterende mål og utvidelse av DBS til nye mål for ulike sykdommer og lidelser.

Generelle begrensninger i fMRI har blitt grundig gjennomgått andre steder 11, selv om flere konkrete begrensninger er spesielt relevant for DBS-fMRI. DBS kan resultere i timelig dynamiske endringer i mobilnettet aktivitet 12 som ikke kan være tilstrekkelig løst med fMRI. For eksperimenter som krever finere timeligoppløsning enn i dag kan bli tilbudt av fMRI alene, foreslår vi elektrofysiologiske opptak, som kan erverves i forbindelse med fMRI 13-15. Et ekstra problem gjelder de komplekse BOLD respons observert i respons til nevral aktivitet 16-21. fMRI åpner for påvisning av områder som moduleres av DBS, men forsiktighet bør tas når dedusere retning av denne module basert på fMRI data alene. Anvendelsen av flere fMRI modaliteter (f.eks BOLD, cerebral blodstrøm, cerebral blodvolum, funksjonelle tilkoblingsmuligheter, og mangan-forsterket MR), samt elektrofysiologiske og histologiske data, bør styrke slike konklusjoner.

Mange av de opplysninger som gis i denne protokollen kan lett vedtatt for alternative stimuleringsmetoder, inkludert optogenetic målretting 22. For optogenetic eksperimenter, kan en laserdriver tilkobles med stimulering programvare for å få TTL utløsning av laseh pulser. For slike forsøk, er det viktig å bruke en patch-kabel av passende lengde, slik at den optiske fiber kan bli koblet til en laserdriver som ligger utenfor skannerens rom. Opto-fMRI åpner for påvisning av nevrovaskulære endringer indusert av selektiv modulering av aktiviteten innen genetisk definerte cellepopulasjoner, mens elektriske DBS-fMRI svar ikke kan man vise til rekruttering av bestemte kretser. Likevel er elektrisk DBS sannsynlig av større overføringsverdi for å studere terapeutisk DBS, som utelukkende er avhengig av elektrisk stimulering i pasientpopulasjoner.

Bekymringer for sikkerhet og lokal vevsskade er viktige hensyn for avbildingsteknikkar med samtidig DBS i både klinisk og dyr forskning innstillinger, og har vært diskutert grundig andre steder (Carmichael 23,24). Mens mange MR-sekvenser har potensial til å forårsake betydelig oppvarming og vevsskade, Parametere stimulering ennd scan sekvenser i denne protokollen er utformet for å minimalisere disse faktorer, særlig lengden av hver skanning sekvens mellom hvileperiodene. Som sådan, respons på stimulering etter dusinvis av skanninger er konsekvent holdbar i pilotstudier, og ingen tegn til lokal vevsskade blir sett på post-mortem bildebehandling, som bekrefter at denne protokollen er trygge med hensyn til nåværende leveranse og MR kompatibilitet av elektroden brukes .

Fleksibiliteten av den beskrevne DBS-fMRI prosedyre, kombinert med det vell av informasjon som gis om regionale modulation profiler i respons til DBS, gjør denne prosedyren ideell for en rekke bruksområder i systemer-nivå nevrovitenskap.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi takker Shaili Jha og Heather Decot for hjelp med filming.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Paxinos, G., Watson, C. The rat brain in stereotaxic coordinates, 5th edition. , Academic Press. (2004).
  2. Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. G. Effects of the alpha(2)-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex. Eur. J. Neurosci. 37 (2), 80-95 (2013).
  3. Lai, H. Y., Younce, J. R., Albaugh, D. L., Kao, Y. C., Shih, Y. Y. Functional MRI reveals frequency-dependent responses during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus or internal globus pallidus. NeuroImage. In press, (2013).
  4. Frackowiak, R. S. J., et al. Human Brain Function. , (2004).
  5. Poline, J. B., Brett, M. The general linear model and fMRI: does love last forever. NeuroImage. 62, 871-880 (2012).
  6. Min, H. K., et al. Deep brain stimulation induces BOLD activation in motor and non-motor networks: an fMRI comparison study of STN and EN/GPi DBS in large animals. NeuroImage. 63, 1408-1420 (2012).
  7. Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and Regulating Dysfunctional Circuits Using Deep Brain Stimulation. Neuron. 77, 406-424 (2013).
  8. DeLong, M., Wichmann, T. Deep brain stimulation for movement and other neurologic disorders. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1265, 1-8 (2012).
  9. Goodman, W. K., Alterman, R. L. Deep brain stimulation for intractable psychiatric disorders. Ann. Rev. Med. 63, 511-524 (2012).
  10. Pizzolato, G., Mandat, T. Deep brain stimulation for movement disorders. Front. Integr. Neurosci. 6, 2 (2012).
  11. Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature. 453, 869-878 (2008).
  12. Li, Q., et al. Therapeutic deep brain stimulation in Parkinsonian rats directly influences motor cortex. Neuron. 76, 1030-1041 (2012).
  13. Pan, W., Thompson, G., Magnuson, M., Majeed, W., Jaeger, D., Keilholz, S. Simultaneous fMRI and Electrophysiology in the Rodent. (42), (2010).
  14. Huttunen, J. K., Grohn, O., Penttonen, M. Coupling between simultaneously recorded BOLD response and neuronal activity in the rat somatosensory cortex. NeuroImage. 39, 775-785 (2008).
  15. 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).
  16. Shih, Y. Y., et al. A new scenario for negative functional magnetic resonance imaging signals: endogenous neurotransmission. J. Neurosci. 29, 3036-3044 (2009).
  17. Shih, Y. Y., Wey, H. Y., De La Garza, B. H., Duong, T. Q. Striatal and cortical BOLD, blood flow, blood volume, oxygen consumption, and glucose consumption changes in noxious forepaw electrical stimulation. J. Cereb. Blood Flow Metab. 31, 832-841 (2011).
  18. Shmuel, A., Augath, M., Oeltermann, A., Logothetis, N. K. Negative functional MRI response correlates with decreases in neuronal activity in monkey visual area V1. Nat. Neurosci. 9, 569-577 (2006).
  19. Schridde, U., et al. Negative BOLD with large increases in neuronal activity. Cereb. Cortex. 18, 1814-1827 (2008).
  20. Shmuel, A., et al. Sustained negative BOLD, blood flow and oxygen consumption response and its coupling to the positive response in the human brain. Neuron. 36, 1195-1210 (2002).
  21. Harel, N., Lee, S. -P., Nagaoka, T., Kim, D. -S., Kim, S. -G. Origin of negative blood oxygenation level–dependent fMRI signals. J. Cereb. Blood Flow Metab. 22, 908-917 (2002).
  22. Lee, J. H., et al. Global and local fMRI signals driven by neurons defined optogenetically by type and wiring. Nature. 465, 788-792 (2010).
  23. Carmichael, D. W., et al. Functional MRI with active, fully implanted, deep brain stimulation systems: safety and experimental confounds. NeuroImage. 37, 508-517 (2007).
  24. Tagliati, M., et al. Safety of MRI in patients with implanted deep brain stimulation devices. NeuroImage. 47 Suppl 2, 53-57 (2009).

Tags

Neuroscience Elektrisk stimulering Therapy forsøk med dyr immobilisering Intubering modeller Animal Bildediagnostiske Funksjonell Bildediagnostiske stereotaksisk Teknikker Funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) dyp hjernestimulering (DBS) blod oksygen nivå avhengig (BOLD) subthalamic nucleus gnager
Dyp hjernestimulering med Simultaneous fMRI i Gnagere
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Younce, J. R., Albaugh, D. L., Shih, … More

Younce, J. R., Albaugh, D. L., Shih, Y. Y. I. Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents. J. Vis. Exp. (84), e51271, doi:10.3791/51271 (2014).

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