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.
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.
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.
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, neuro…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Shaili Jha og Heather Decot for hjelp med filming.
Isoflurane (Forane) | Baxter | 1001936060 | |
Dexmedetomidine (Dexdomitor) | Pfizer | 145108-58-3 | |
Pancuronium Bromide | Selleckchem | S2497 | |
9.4T 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 inch. 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) |