Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Deep Brain Stimulation met gelijktijdige fMRI in Knaagdieren

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

Dit protocol beschrijft een standaard methode voor gelijktijdige functionele magnetische resonantie imaging en diepe hersenstimulatie bij de knaagdieren. Het gecombineerde gebruik van deze experimentele instrumenten maakt de exploratie van wereldwijde downstream activiteit in antwoord op elektrische stimulatie vrijwel elk doel hersenen.

Abstract

Om de mondiale en downstream neuronale reacties op deep brain stimulation (DBS) op verschillende doelen te visualiseren, hebben we een protocol voor het gebruik van bloed zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) om de afbeelding knaagdieren met gelijktijdige DBS ontwikkeld. DBS fMRI presenteert een aantal technische uitdagingen, zoals de nauwkeurigheid van de elektrode implantatie, MR artefacten die door de elektrode, de keuze van anesthesie en verlamde aan een neuronale effecten te minimaliseren en tegelijkertijd het elimineren van dierlijke beweging, en het onderhoud van fysiologische parameters, afwijking van die kan verwarren de BOLD signaal. Ons laboratorium heeft een reeks procedures die in staat zijn het overwinnen van de meeste van deze mogelijke problemen zijn ontwikkeld. Voor elektrische stimulatie wordt een zelfgemaakte wolfraam bipolaire micro-elektrode gebruikt, stereotactisch ingevoegd op de stimulatieplaats in de verdoofde onderwerp. Ter voorbereiding voor de beeldvorming, zijn knaagdieren bevestigd op een plastic hoofddeksel enovergedragen aan de magneet boring. Voor sedatie en verlamming tijdens het scannen, wordt een cocktail van dexmedetomidine en pancuronium continu toegediend, samen met een minimale dosis van isofluraan, dit preparaat minimaliseert het BOLD plafondeffect vluchtige anesthetica. In dit voorbeeld experiment, stimulatie van de nucleus subthalamicus (STN) produceert BOLD reacties die voornamelijk waargenomen in ipsilaterale corticale gebieden, gecentreerd in motorische cortex. Gelijktijdig DBS en fMRI maakt de ondubbelzinnige modulatie van neurale circuits afhankelijk van stimulatie locatie en stimulatie parameters, en maakt observatie van neuronale modulaties gratis regionale vooringenomenheid. Deze techniek kan worden gebruikt om de stroomafwaartse effecten moduleren neurale circuits op bijna elk hersengebied bekijken, gevolgen voor zowel experimentele als klinische DBS.

Introduction

Het bepalen van de wereldwijde downstream effecten van neurale circuit activiteit vormt een grote uitdaging en het doel voor veel gebieden van systemen neurowetenschappen. Een gebrek aan tools beschikbaar die voldoen aan deze behoefte, en daarom is er een vraag naar een grotere toegankelijkheid van de juiste experimentele opstellingen. Een dergelijke werkwijze voor evaluatie van de globale gevolg van neurale circuit activering berust op de gelijktijdige toepassing van deep brain elektrische stimulatie (DBS) en functionele MRI (fMRI). DBS-fMRI maakt de detectie van stroomafwaartse reacties op circuit activering op grote ruimtelijke schaal, en kan vrijwel elke stimulatie doel worden toegepast. Deze toolset is zeer geschikt voor translationele preklinische studies, waaronder de karakterisering van reacties op therapeutische hoogfrequente stimulatie.

Naast toegang tot een geschikte MRI-scanner, succesvolle DBS-fMRI experimenten vereisen afweging van een aantal variables, waaronder elektrode, sedatie methode en onderhoud van fysiologische parameters. Bijvoorbeeld elektrode keuze moet worden gebaseerd op factoren met betrekking tot stimulatie werkzaamheid (bijv.. Lood grootte en geleiding, mono-versus bipolaire), en MR compatibiliteit elektrode artefact grootte. Electrode artefacten variëren elektrodemateriaal en de grootte, evenals de scansequentie gebruikt, grondig pre-experimentele tests moeten worden gebruikt om het juiste type elektrode voor elke studie te bepalen. In het algemeen worden wolfram elektroden Microwire aanbevolen voor dit protocol. Keuze van de lamme en sedativa moet worden gedaan om effectief te immobiliseren het dier en de onderdrukkende effecten van bepaalde sedativa op bloed-zuurstof-level-dependent (BOLD) signaal te verminderen. Tenslotte is het essentieel om het dier optimale fysiologische criteria zoals lichaamstemperatuur en zuurstofverzadiging handhaven.

Het protocol dat we hebben ontwikkeld voor DBS-FMRI overwint veel van deze mogelijke obstakels, en in onze handen, zorgt voor een robuuste en consistente resultaten. Bovendien kunnen deze experimentele procedures gemakkelijk worden vastgesteld voor de combinatie van fMRI alternatieve stimulatiemethoden, waaronder optogenetic stimulatie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Ethiek Verklaring: Deze procedure is in overeenstemming met de National Institutes of Health Guidelines for Animal Research (Gids voor de Zorg en gebruik van proefdieren) en is goedgekeurd door de Universiteit van North Carolina Institutional Animal Care en gebruik Comite.

1. Elektrode Implantatie

De eerste stap is elektrode implantatie. In deze stap wordt een elektrode unilateraal geïmplanteerd in de nucleus subthalamicus (STN), een kleine kern met translationele betekenis voor de ziekte van Parkinson behandeld met de volgende methoden:

  1. Steriliseren alle chirurgische apparatuur met behulp van een autoclaaf, of antiseptische oplossing waarbij autoclaveren niet mogelijk is (bijvoorbeeld voor elektrode steriliteit). Let op: dit is een korte-termijn overleving chirurgie, en dus aseptische techniek is essentieel. Na de operatie kunnen dieren worden afgebeeld na een korte herstelperiode (48 uur) of tot enkele weken later.
  2. Verdoven de rat (Volwassen Sprague-Dawley ratten 250-400 g) door middel 2,5% isofluraan toegediend via intubatie en een klein dier ventilator. Bevestig de rat een chirurgische stereotactische frame en de voorbereiding van de chirurgische site met behulp van aseptische technieken.
  3. Bereiden en ervoor te zorgen dat de elektrode is steriel. Een zelfgemaakte 2-kanaals wolfraam Microwire elektrode wordt gebruikt voor deze procedure, hoewel vele MRI-compatibele elektrode typen zal werken. Het type elektrode gebruikt mag het gebied van weefsel mechanisch beschadigd door de procedure, het gebied van weefsel gestimuleerd, en de nauwkeurigheid van de implantatie beïnvloeden, waardoor de totale experimentele resultaat beïnvloeden. Als het elektrode niet kan worden geautoclaveerd, gebruik povidonjood antiseptische de elektrode zoveel mogelijk steriliseren.
  4. Met een schaar verwijder de hoofdhuid boven de implantatieplaats met een diameter van ongeveer 1,5 cm tot bregma en lambda ontdekken op de schedel. Verwijder de spier-en fascia bovenop de schedelen stoppen met alle bloeden behulp electrocautery.
  5. Kras aan de schedel oppervlak in meerdere richtingen met een scalpel om tandheelkundige cement hechting (stap 1.8) te verbeteren. Niveau Bregma en Lambda in horizontale richting.
  6. . STN richten, op 3,6 mm achter Bregma en 2,5 mm lateraal van middellijn, met een kleine-getipt elektrische boor een boorgat meet ongeveer 1,5 mm in diameter te maken Opmerking: De exacte locatie van de STN in verwijzing naar coördinaten stereotaxisch kan verschillen per rat stam, gewicht en geslacht. Volwassen ratten van hetzelfde geslacht moeten worden dat veranderingen in de locatie minimaliseren. Indien mogelijk, moet pre-operationele anatomische scans of intraoperatieve elektrische opnames worden gebruikt om de STN plaats op individuele basis onderwerp te identificeren. Verder moet beëindiging plaatsen elektrode histologisch worden geverifieerd om doel nauwkeurigheid te garanderen.
    1. Een insnijding voorzichtig in de dura en gebruik kleine stompe tang om de dura naar de zijkanten van ee hole. Stop het bloeden met behulp van steriele katoen gedrenkt in een zoutoplossing. Maak gaten voor een of meer MR-compatibele schroeven) en plaats ze voorzichtig in de schedel tot ze stabiel. Schroeven kunnen op elke plaats waar de plaatsing van de externe connector van de DBS elektrode niet verstoort worden geplaatst (bijv.. Niet direct achter de STN ipsilaterale de elektrode). Wij raden plaatsingen op de zijkanten van de schedel, idealiter direct posterior aan de lambda hechtdraad. Op dit punt, de schedel is relatief dik, waardoor de kans dat de schroeven cortex beschadigen ". Opmerking: Messing schroeven gesneden 4-5 mm in lengte worden gebruikt in dit protocol, hoewel plastic schroeven zijn ook geschikt.
  7. Elektrode aan de stereotactische arm, zodat deze recht en verticaal. Raak de elektrode Bregma, verplaats de elektrode precies 3,6 mm achter Bregma en 2,5 mm lateraal van middellijn en raak het corticale oppervlakmet de elektrode. Van de corticale oppervlak, plaats de elektrode 7,8 mm ventraal. Deze coördinaten worden bepaald op basis van neuroanatomisch atlas 1.
  8. Leg een laag van tandheelkundige cement over de schedel, inclusief de schedel schroeven en elektrode invoegpunt. Wacht tot het cement volledig is uitgehard voorafgaand aan het verwijderen van de elektrode uit het stereotactische frame. Buig de elektrode achterwaarts en gebruik aanvullende cement om de rest van de elektrode-darmkanaal en de aansluiting voor duurzaamheid omvatten.

2. fMRI Voorbereiding

De tweede stap is de setup voor fMRI, inclusief positionering van de spoel en het instellen van fysiologische bewakingsapparatuur.

  1. Beveilig hoofd van het dier om beweging tijdens de scan te voorkomen. Opmerking: Een aangepaste plastic intraauricular bar systeem wordt hier gebruikt voor het hoofd fixatie. Plaats de staven in de gehoorgang te zetten aan het hoofdstuk zodat de kop soepel draait in the verticale richting met geen horizontale rotatie. Zet de koppositie door de vaststelling van de boventanden naar het apparaat.
  2. Verdoven van de rat volledig en monitor einde tidal CO 2 om de stabiliteit te verzekeren in alle scans. Handhaving anesthesie, ventilatie en regeleinde tidal CO2 niveau tijdens de scan wordt een MR-compatible kleine dieren ventilatiesysteem gecombineerd met isofluraan vaporizer hier gebruikt, hoewel een verscheidenheid anesthesie en sedatie middelen kunnen worden gebruikt op een soortgelijke manier. Stel de ventilator 45 ademhalingen / min met een normaal volume ongeveer 500 ml / min lucht als startvolume. Stel de isofluraan tot 2% en de overdracht van de rat in de scan kamer. Bevestig uitgang van de ventilator aan de rat endotracheale tube en druk deze stevig te beveiligen. Capnometry moeten worden verkregen met behulp van een buis zo nauw verbonden met de endotracheale tube connector mogelijk. Pas ventilatie volume op een end-tidal CO 2 van 2,6% te produceren tot 3,3%. Gebruik een MR-compatibele klein dier houder om de rat te voegen in de scanner met een circulerende hete waterbad voor temperatuurregeling. Tape het pad van het bad op de houder en dek deze af met schoon absorberend papier. Plaats de rat op de hete water bed.
  3. Monitoring van de temperatuur en kooldioxide niveaus zijn essentieel voor BOLD fMRI, terwijl arteriële zuurstofverzadiging en hartslag zijn ook nuttig fysiologische parameters. Plaats een MR-compatibele rectale temperatuur sonde en tape aan de basis van de staart, en pas dan de temperatuur van het waterbad om normale lichaamstemperatuur op 37 ° C te houden Monitor arteriële zuurstofsaturatie en hartslag met behulp van een klein dier pulsoxymetrie systeem, ze handhaven op 95-98% en 250-350 bpm, respectievelijk, die kunnen variëren afhankelijk van het type van anesthesie gebruikt. Zuurstofverzadiging en hartslag worden zowel beïnvloed door de diepte van de anesthesie, ventilatie volume en ventilatie. Ventilatie volume en snelheid kan nodigzorgvuldig worden afgewogen om adequate end-tidal CO 2 verdiepingen en voldoende zuurstof verzadiging te verzekeren.
  4. Een oppervlaktespoel is nodig voor BOLD fMRI overname. Plaats de oppervlaktespoel zo dicht bij het oppervlak van de kop mogelijk. Eenmaal bevestigd, plaatst tandpasta op het oppervlak van het hoofd op het cement dop om de gevoeligheid artefacten te reduceren bij hersenoppervlak. Opmerking: We gebruiken een zelfgemaakte zendontvanger oppervlaktespoel met een inwendige diameter van ongeveer 1,6 cm, maar grotere oppervlaktespoelen kunnen gebruikt om de BOLD respons in diepere subcorticale regio's te optimaliseren.
  5. Sluit de stimulerende elektrode een programmeerbare elektrische stimulator systeem Noot:. Past een maat programmeerbaar TTL trekkersysteem verbonden met een bipolaire stimulator elektrische pulsen gesynchroniseerd met de RF excitaties van de MR scans maken.
  6. Voor sedatie en verlamming tijdens fMRI data-acquisitie, gebruik maken van een cocktail van dexmedetomidine (0.1mg / kg / uur, ip) en pancuronium (1 mg / kg / uur, ip), gecombineerd met een lage dosis isofluraan 0.5% epileptische activiteit 2 voorkomen. Voor toediening van het geneesmiddel moet een MR-compatible spuitpomp gebruikt worden als de pomp in de magnetische omgeving worden geplaatst. Alternatief kan een niet compatibele pomp buiten de magnetische omgeving mits verlengde katheterbuis wordt geplaatst.

3. fMRI data verwerving

De derde stap is fMRI verwerving, inclusief positionering, shimming, anatomische scans en functionele scans. 9,4 Tesla systeem met een zelfgemaakte oppervlaktespoel wordt hier gebruikt, maar deze techniek kan worden aangepast aan andere hoge veldsterkte systemen en commercieel gemaakt MRI spoelen.

  1. Plaats de rat in de scanner en de positie in het midden van de magneet. Gebruik afbeelding van een drie-vliegtuig scout naar de rat binnen de magneet precies te centreren ten opzichte van de hersenen regio's van belang, en FASTMAP shimming om homonize het magnetische veld bij de gebieden van belang.
  2. Gebruik een sagittale T2-gewogen RARE sequentie (FOV, 2.56 x 2.56 cm 2; matrix formaat, 256 x 256, slice dikte 1,5 mm; TR / TE, 1500/11 ms; ZELDZAME Factor, 8; Flip Hoek, 180 °) naar de locatie van de voorste commissuur vinden, en lijn de volgende beelden naar deze locatie. Lijn acht-slice enkelschots GE-EPI scans (FOV, 2.56 x 2.56 cm 2; matrix formaat, 96 x 96, gereconstrueerd tot 128 x 128; plakdikte, 1mm; TR / TE, 1000/14 ms), op dit punt met coronale oriëntatie.
  3. Voor functionele scans, gebruiken 70 opeenvolgende EPI scans met 1 seconde temporele resolutie gesynchroniseerd met de stimulatie-uitgang, ingesteld op 20 sec rust, 10 sec stimulatie, gevolgd door 40 sec rust. Laat een minimum van 90 seconden tussen de scans te zorgen voor neurovasculaire herstel. Verwerven meerdere herhaalde scans elke parameter stimulatie van de signaal-ruisverhouding te verbeteren door het gemiddelde. Gebruik een aantal kap-scans (meestal 4-8) Onmiddellijk voorafgaand aan het scannen voor ruisonderdrukking. Bevestig de BOLD respons op het moment van het beeld overname succes van het experiment te garanderen met behulp van de in hoofdstuk 4 beschreven methode, hoewel middeling, coregistration en schedel-strippen kan worden overgeslagen in deze instelling.
  4. Na functionele scannen is voltooid, gebruikt u een T2-gewogen RARE spin-echo sequentie (FOV, 2.56 x 2.56 cm 2; matrix formaat, 256 x 256, slice dikte, 1 mm; TR / TE, 2500/33 ms; gemiddelden, 8 ) de anatomische positie van de elektrode in vivo meten. Verwerven meerdere coronale en sagittale secties om de punt van de elektrode artefact langs anterior / posterior mediale / laterale en dorsale / ventrale assen te meten en te bevestigen plaatsing van de elektroden. Hoge resolutie magnetische resonantie microscopie (FOV, 1,8 x 1,28 cm; matrix formaat, 360 x 256, slice dikte 0,5 mm; TR / TE, 2500/12.6 ms; ZELDZAME factor, 8; gemiddelden, 280) kan worden gebruikt om te onderzoeken de precieze locatie van de elektrode darmkanaal na verwijdering ten opzichtenaar het nabijgelegen neuroanatomische structuren en bevestigen de juistheid van plaatsing van de elektroden 3.

4. fMRI dataverwerking en analyse

De vierde stap is verwerking en analyse van fMRI data, waaronder generatie respons kaarten en berekening van het percentage BOLD signaal verandering. Aangepaste programma's die binnen een computeromgeving (bijv. MATLAB) of commerciële fMRI software tools (bv.. SPM, FSL, of AFNI) kunnen worden toegepast.

  1. Begin met afbeelding coregistration en middeling van de gegevens voor het eerst binnen-onderwerp door frequentie, gevolgd door over-onderwerp. Opmerking: Dit doen we met behulp van SPM codes.
  2. Voer schedel strippen om nonbrain weefsel te verwijderen met behulp van handmatig gedefinieerde regio van belang (ROI) met signaal drempelen. Automatische schedel strippen algoritmen kunnen worden toegepast.
  3. Compileren reactie kaarten door het berekenen van de correlatiecoëfficiënt van de relatie tussen BOLD resPonse in de tijd en de stimulatie paradigma voor elke voxel. Het uitstellen van het paradigma enkele seconden om rekening te late hemodynamische respons nodig zijn. Stel significant niveau bij P <0,05 na Bonferroni correctie. Andere statistische methoden worden toegepast. Correctie voor meervoudige vergelijkingen met behulp van Random Field Theory of cluster-niveau correctie op basis van Gauss Random Veld kan worden uitgevoerd in plaats van de Bonferroni correctie voor gevoeligere analyse 4. Opmerking: De hemodynamische vertraging kan variëren op basis van de hersenen regio's gerichte, gebruikt farmacologische middelen, en fysiologische parameters. Het is cruciaal om deze parameters te controleren om variabiliteit binnen proefpersonen en tussen-proefpersonen voorkomen.
  4. Kwantificeren van de BOLD respons door het definiëren van een ROI om tijd-cursus data te extraheren. Gemiddeld het percentage signaal verandering in alle voxels binnen dezelfde anatomische structuur. Voxel-wise analyse met de General Linear Model kan ook gebruikt 5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representatieve functionele gegevens werden verkregen volgens bovenstaande protocol in een rat met een stimulerende elektrode geïmplanteerd om de nucleus subthalamicus rechts. Een illustratie van essentiële setup voor DBS fMRI beeldacquisitie wordt verschaft in Figuur 1. Stimulatie werd toegepast overeenstemming met de bovenstaande protocol, met een amplitude van 0,3 mA, frequentie van 130 Hz en een pulsbreedte van 0,09 msec. Robuuste activering van ipsilaterale motorische cortex is consequent gevisualiseerd met behulp van dit protocol met de nucleus subthalamicus als de stimulatie doel. Bij een blokvormig stimulatie patroon zou BOLD signaal verwacht worden gemoduleerd ten opzichte van de basislijn (no-stimulatie toestand) met een tijdsverloop gecorreleerd aan de stimulatieperiode. Hier positieve BOLD reacties waargenomen in de verwachte hersenen (Figuur 2) en met een AAN / UIT patroon goed gecorreleerd met de stimulatie paradigma, rekening houdend met een korte hemodynamische vertraging (figuur 3). Van de kaart (Figuur 2), kan een overlay neuroanatomisch atlas 1 worden gebruikt om nauwkeurige gebieden van belang te definiëren aan de BOLD-effect te vergelijken op individuele hersengebieden. Voor STN DBS de BOLD respons in de motorische cortex wordt getoond in figuur 3, maar gebieden van interesse in een hersengebied worden gebracht. Deze reacties kunnen dan worden gemiddeld tussen scans en vervolgens tussen onderwerpen hersengebieden die een consistente respons op stimulatie produceren identificeren. Richten van andere neuroanatomisch structuren kunnen verschillende reactiepatronen dan de in dit experiment produceren. Bovendien kan zelfs een kleine mate van onnauwkeurigheid in de plaatsing van de elektroden grote verschillen in reactie, zoals mei verschillen in soorten elektrode en elektrische stimulatie parameters 3.

/ Ftp_upload/51271/51271fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51271/51271fig1.jpg "/>
Figuur 1. Regeling van de fundamentele fMRI configuratie met oppervlakspoel, elektrode positie en stimulator synchronisatie.

Figuur 2
Figuur 2. Vertegenwoordiger EPI beelden gelabeld met correlatiecoëfficiënten van een enkel dier, met posterior naar anterior plakjes weergegeven van links naar rechts. Kleur balk geeft correlatiecoëfficiënten bij elke voxel.

Figuur 3
Figuur 3. Typische% BOLD in de tijd van een enkel dier gemiddeld over meerdere scanshetzelfde stimulatieparameters: 0,3 mA, 130 Hz, 0,09 ms pulsbreedte Gele balk geeft periode waarin stimulatie werd toegepast op de nucleus subthalamicus.. ROI was binnen motorische cortex. Opmerking: Deze stimulatie parameters zijn binnen het standaard assortiment voor DBS bij de STN, maar moet mogelijk worden aangepast voor andere stimulatie sites.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Gelijktijdig DBS en fMRI is een veelbelovende experimentele toolkit voor de identificatie en karakterisering van de wereldwijde downstream reacties op neurale circuit stimulatie, in vivo. Het grote voordeel van deze techniek andere beschikbare instrumenten, zoals elektrofysiologische opnames, ligt in de relatief onpartijdige aard van fMRI, waarbij een groot en divers gebied van hersenweefsel kan worden onderzocht op gevoeligheid voor DBS op een doel. Hoewel de beschreven protocol specifiek voor DBS-fMRI bij de rat, neuroimaging van DBS reacties is ook met succes uitgevoerd in andere modelorganismen, zoals varkens 6.

Misschien wel de meest voor de hand liggende toepassing van deze techniek is het modelleren van DBS als therapeutisch toegepast voor bepaalde neurologische en psychiatrische stoornissen, dwz. Ziekte van Parkinson 7-9. Bij patiënten met de ziekte van Parkinson, hoogfrequente stimulatie op een van beide de subthalamic kern (STN) of intern globus pallidus (GPi) is effectief voor de verlichting van vele motorische symptomen 10. Hoogfrequente DBS op een van deze doelen resulteert in een aanzienlijke activering binnen zowel canonieke motor en limbische gebied s6. De karakterisering van deze ruimtelijk dynamische fMRI reacties, wanneer aangevuld met gedragsanalyse, kan helpen bij de identificatie van therapeutische DBS circuits. De conclusies van deze studies conclusies moet gemakkelijk te vertalen naar de kliniek, speciaal voor de verfijning van DBS op bestaande doelen en uitbreiding van DBS om nieuwe doelstellingen voor verschillende ziekten en aandoeningen.

Algemene beperkingen van fMRI zijn uitvoerig elders 11 beoordeeld, hoewel verscheidene specifieke beperkingen zijn bijzonder relevant voor DBS-fMRI. DBS kan leiden tot tijdelijk dynamische veranderingen in cellulaire activiteit 12 dat niet afdoende kan worden opgelost met fMRI. Voor experimenten waarbij fijnere temporeleresolutie dan kan op dit moment worden aangeboden door fMRI alleen, raden wij elektrofysiologische opnames, die in combinatie met fMRI 13-15 kunnen worden verworven. Een bijkomend probleem is dat het complex BOLD responsen waargenomen in reactie op neurale activiteit 16-21. fMRI staat voor de detectie van gebieden gemoduleerd door DBS, maar voorzichtigheid is geboden bij het afleiden van de richting van deze modulatie op basis van fMRI data alleen. De toepassing van meerdere fMRI modaliteiten (bv BOLD, cerebrale bloeddoorstroming, cerebrale bloedvolume, functionele connectiviteit en-mangaan versterkte MRI), evenals elektrofysiologische en histologische gegevens, moeten dergelijke conclusies te versterken.

Veel van de informatie die in dit protocol kan gemakkelijk worden vastgesteld voor alternatieve stimulatie methoden, waaronder optogenetic targeting 22. Voor optogenetic experimenten, kan een laser driver gekoppeld worden met stimulatie software om TTL triggering van las te verkrijgener pulsen. Voor deze experimenten is het belangrijk om een ​​patch kabel van de juiste lengte te gebruiken, zodat de optische vezel kan worden gekoppeld met een laserbesturing buiten de scanner kamer gelegen. Opto-fMRI maakt de detectie van neurovasculaire veranderingen bij selectieve modulatie van activiteit in genetische gedefinieerde celpopulaties, terwijl elektrische DBS-fMRI responsen niet gemakkelijk kan worden toegeschreven aan rekrutering van specifieke circuits. Toch elektrische DBS waarschijnlijk van grotere translationele waarde voor het bestuderen van therapeutische DBS, die uitsluitend is gebaseerd op elektrische stimulatie in de patiëntenpopulaties.

Zorgen voor veiligheid en lokale weefselbeschadiging zijn belangrijke overwegingen voor neuroimaging met gelijktijdige DBS in zowel klinische en dierlijke onderzoek instellingen, en zijn uitvoerig elders (Carmichael 23,24) besproken. Terwijl vele MRI sequenties, kunnen significante verwarming en weefselschade, de stimulatieparameters eennd scansequenties in dit protocol zijn ontworpen om deze factoren, in het bijzonder de lengte van elke scan sequentie tussen rusttijden te minimaliseren. Als zodanig, de reacties op stimulatie na tientallen scans zijn consequent duurzaam in pilotstudies en geen tekenen van lokale weefselschade worden gezien op postmortale beeldvorming, bevestigt dat dit protocol is veilig met betrekking tot de huidige levering en MR verenigbaarheid van de gebruikte elektrode .

De flexibiliteit van de beschreven DBS-fMRI-procedure, in combinatie met de schat aan informatie met betrekking tot de regionale modulatie profielen in reactie op DBS informatie, maken deze procedure ideaal voor een verscheidenheid aan toepassingen in systemen-niveau neurowetenschappen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Wij danken Shaili Jha en Heather Decot voor hulp bij het filmen.

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

Neurowetenschappen Elektrische Stimulatie Therapie dierproeven immobilisatie intubatie Modellen Dier Neuroimaging Functional Neuroimaging Stereotaxische Technieken functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) deep brain stimulation (DBS) bloed zuurstof niveau afhankelijk (BOLD) nucleus subthalamicus knaagdier
Deep Brain Stimulation met gelijktijdige fMRI in Knaagdieren
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