Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Kemirgenler Eşzamanlı fMRI ile derin beyin stimülasyonu

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

Bu protokol kemirgen eşzamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme ve derin beyin stimülasyonu için standart bir yöntem açıklanır. Bu deneysel araçların kombine kullanımı hemen hemen herhangi bir beyin hedefe elektriksel uyarıya tepki olarak küresel alt aktivitesinin araştırılması için izin verir.

Abstract

Çeşitli hedeflere derin beyin stimülasyonu (DBS) ile küresel ve mansap nöronal yanıtları görselleştirmek için, biz kan oksijen seviyesi bağımlı (BOLD) fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) eşzamanlı DBS ile görüntü kemirgenler için kullanmak için bir protokol geliştirdik. DBS fMRI elektrot implantasyonu doğruluğu da dahil olmak üzere teknik sorunlar bir dizi sunuyor, MR aynı anda hayvan hareket, ve fizyolojik parametrelerin bakım ortadan kaldırırken herhangi bir nöronal etkileri en aza indirmek için anestezi ve felçli bir elektrot, seçim tarafından oluşturulan eserler, hangi sapma bulandırabilir BOLD sinyal. Laboratuvarımız bu olası sorunların çoğu üstesinden yeteneğine sahip olan prosedürleri bir dizi geliştirdi. Elektrik stimülasyonu için, ev yapımı tungsten bipolar mikroelektrot anestezi bireyde uyarım yerinde stereotaktik eklenir kullanılır. Görüntüleme için hazırlık, kemirgenler bir plastik baş kısmının sabit ve vardırmıknatıs deliğin aktarılır. Tarama sırasında sedasyon ve felç için, deksmedetomidin ve pankuronyum bir kokteyl sürekli izofluran minimal doz ile birlikte, doluyor, bu hazırlık volatil anestezik BOLD tavan etkisini en aza indirir. Bu deneyde, örneğin, subtalamik çekirdek (STN) uyarılmasının motor korteks merkezli, ipsilateral kortikal bölgelerinde esas olarak gözlenir KALIN tepkiler üretir. Eşzamanlı DBS ve fMRI stimülasyon konumu ve stimülasyon parametreleri üzerine nöral devrelerin kesin modülasyon bağımlı sağlar ve bölgesel önyargı ücretsiz nöronal modülasyonların gözlem izin verir. Bu teknik, deneysel hem de klinik DBS için etkileri olan, hemen hemen herhangi bir beyin bölgesinde sinir devresi modüle aşağı etkilerini araştırmak için kullanılabilir.

Introduction

Nöral devre aktivitenin küresel mansap etkileri belirlenmesi sistemleri nörobilim birçok alanlar için önemli bir meydan okuma ve hedefi temsil eder. Araçlar azlığı bu ihtiyacı karşılamak anda mevcut, ve bu nedenle uygun deney düzeneklerinin artan erişilebilirlik için bir talep var. Nöron devresi aktivasyon küresel sonucu değerlendirmek için böyle bir yöntem, derin beyin elektrik stimülasyonu (DBS) ve fonksiyonel MR (fMRI) aynı anda uygulanması dayanır. DBS-fMRI büyük bir mekansal ölçekte devre aktivasyonuna alt yanıtların tespiti için izin verir ve hemen hemen herhangi bir stimülasyon bir hedefe uygulanabilmektedir. Bu araç takımı, terapötik yüksek frekanslı yanıtların uyarılmasına karakterizasyonu dahil olmak üzere, ön-klinik çalışmalar, translasyon için oldukça uygundur.

Uygun bir MRI tarayıcısı erişim yanı sıra, başarılı DBS-fMRI deneyler variabl bir dizi dikkate gerektirirelektrot tipi, sedasyon yöntemi, ve fizyolojik parametrelerin bakım dahil olmak üzere es. Örneğin, elektrot seçim uyarma etkinliği (örneğin,. Talebi boyut ve iletkenlik, mono-bipolar vs), hem de MR uyumluluk ve elektrot artefakt büyüklüğüne ilişkin faktörlere dayalı olmalıdır. Elektrot eserler elektrot malzeme ve boyutu, hem de kullanılan tarama dizisine göre değişir, çalışma öncesi deneysel testleri, her bir çalışma için uygun bir elektrot türünü belirlemek için kullanılması gerekmektedir. Genel olarak, tungsten mikrotel elektrotlar bu protokol için tavsiye edilir. Felçli ve sedatif seçimi etkili hayvan hareketsiz ve kan oksijen seviyesi bağımlı (BOLD) sinyal bazı sakinleştirici baskılayıcı etkilerini azaltmak için yapılmalıdır. Son olarak, vücut sıcaklığı ve oksijen doygunluğu de dahil olmak üzere uygun fizyolojik parametrelerin, en hayvanı korumak için önemlidir.

Biz DBS için geliştirdik protokolü-FMRI bu potansiyel engellerin birçoğunun üstesinden, ve bizim ellerde, sağlam ve tutarlı sonuçlar sağlar. Ayrıca, bu deney prosedürleri kolayca optogenetic uyarılması da dahil olmak üzere, alternatif uyarma yöntemleriyle FMRI kombinasyonu için kabul edilebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Etik Beyanı: Bu prosedür, Hayvan Araştırmaları (Laboratuar Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı Kılavuzu) Sağlık Rehberi National Institutes uygun ve Kuzey Carolina Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi Üniversitesi tarafından onaylanmıştır.

1.. Elektrot İmplantasyon

İlk adım, elektrot implantasyonu. Bu aşamada, bir elektrot tek taraflı olarak subtalamik çekirdek (STN), aşağıdaki yöntemler kullanılarak Parkinson hastalığı tedavisi için translasyon öneme sahip küçük bir çekirdek içine implante edilir:

  1. ., Bu kısa süreli sağkalım cerrahi, ve böylece aseptik teknik gereklidir: otoklav Not (elektrot sterilite örneğin) mümkün olmayan bir otoklav veya antiseptik solüsyon kullanarak tüm cerrahi aletler sterilize edin. Ameliyat sonrası hayvanlar, kısa bir iyileşme dönemi (48 saat) sonra ya da birkaç hafta kadar sonra görüntülenebilir.
  2. Endotrakeal entübasyon ve küçük bir hayvan ventilatör aracılığıyla uygulanan% 2.5 izofluran kullanarak sıçan (Yetişkin Sprague-Dawley sıçanları 250-400 g) anestezisi. Stereotaktik cerrahi çerçeveye sıçan düzeltmek ve aseptik teknikler kullanılarak cerrahi sitesi hazırlamak.
  3. Hazırlayın ve elektrot steril olduğundan emin olun. Birçok MR-uyumlu elektrot türleri çalışacak olsa bir ev yapımı 2-kanallı tungsten mikrotel elektrot, bu işlem için kullanılır. Kullanılan elektrot özellikleri dolayısı ile de genel deney sonucu etkileyen mekanik prosedür, uyarılmış doku alanı ve implantasyon doğruluğu zarar doku alanı etkileyebilir. Elektrot tipi otoklavlanmalıdır mümkün değilse, mümkün olduğu elektrodu sterilize etmek için povidon-iyot antiseptik kullanın.
  4. Kullanma makas kafatası bregma ve lambda ortaya çıkarmak için, yaklaşık 1.5 sm bir çapı olan implantasyon sitesi üzerinden kafa derisi çıkarın. Kafatasını örten kas ve fasya kaldırve tüm elektrokoter kullanılarak kanama durur.
  5. Diş çimento yapışma (adım 1.8) geliştirmek için bir neşter ile birden fazla yönde kafatası yuzeysel. Yatay yönde Seviye Bregma ve Lambda.
  6. . Bregma'ya 3.6 mm posterior, STN hedef ve orta hat yanal 2.5 mm, çapı yaklaşık 1.5 mm kalınlığında bir çapak delik oluşturmak için küçük uçlu elektrikli matkap kullanmak için Not: koordinatları stereotaksik referans STN tam yeri olabilir sıçan soyu, ağırlığı ve cinsiyete göre değişir. Aynı cinsiyet erişkin sıçanlar yerde herhangi bir varyasyonu en aza indirmek için kullanılmalıdır. Mümkünse, operasyon öncesi anatomik taramaları ya da ameliyat sırasında elektrik kayıtları tek bir konu olarak STN konumunu belirlemek için kullanılmalıdır. Ayrıca, elektrot sonlandırma siteleri histolojik hedef doğruluğunu sağlamak için kontrol edilmelidir.
    1. Dikkatle dura bir kesi yapmak ve inci yanlarına dura taşımak için küçük künt forseps kullanıne delik. Fizyolojik ile ıslatılmış steril pamuk kullanarak herhangi bir kanamayı durdurmak. Bir veya daha fazla MR-uyumlu vidalar için delikler) oluşturmak ve stabil olana kadar kafatası onları hafifçe yerleştirin. Vidalar onlar DBS elektrot için harici bir konnektör yerleşimini bozmayacak herhangi bir yere yerleştirilmiş olabilir (örn.. Değil, doğrudan elektrot STN ipsilateral arkasında). Biz ideal doğrudan lambda dikişine posterior, kafatası yan kenarlarında yerleşimleri önerilir. Bu noktada, kafatası vida korteks zarar olasılığını azaltır, nispeten kalın bir "Not:. Plastik vidası, aynı zamanda uygun olmasına rağmen, 4-5 mm uzunluğunda kesilmiş Pirinç vidalar, bu protokol kullanılır.
  7. Düz ve dik olmasını sağlamak, stereotaktik kolunda elektrot yerleştirin. Bregma'ya elektrot dokunun, sonra kortikal yüzeye orta hat ve dokunmak için tam 3.6 mm Bregma'ya arka ve 2.5 mm yanal elektrot hareketelektrotla. Kortikal yüzeyinden, ventral olarak elektrot 7.8 mm yerleştirin. Bu koordinatlar nöroanatomik atlas 1 referans alınarak belirlenir.
  8. Kafatası vida ve elektrot ekleme noktası da dahil olmak üzere diş kafatası üzerinde çimento tabakası yerleştirin. Çimento önce tamamen stereotaktik çerçeve elektrot çıkarmadan sertleştirilmiş kadar bekleyin. Bend elektrot geri ve dayanıklılık için elektrot sistemi ve bağlacının kalanı karşılamak için ek çimento kullanın.

2. fMRI Hazırlık

İkinci adım, fizyolojik izleme ekipmanları bobin ve kurulum konumlandırma dahil fMRI için kurulum vardır.

  1. Tarama sırasında hareket etmesini önlemek için hayvanın kafasını Güvenli Not:. Bir özel plastik intraauricular bar sistemi baş tespit için burada kullanılmıştır. Kulak kanallarına çubuklarını yerleştirin ve kafa inci sorunsuz döner böylece baş kısmı için güvence altınahiçbir yatay rotasyon ile e dikey yönde. Aparata üst dişleri sabitleyerek baş pozisyonu elde edin.
  2. Tamamen sıçan anestezisi ve tüm taramaları boyunca istikrarı sağlamak için endtidal CO 2 monitör. Anestetik ve sedasyon ajanlar çeşitli benzer bir şekilde kullanılabilmektedir da anestezi, havalandırma ve kontrol uç tidal CO tarama sırasında 2 seviyesini korumak için, bir izofluran buharlaştırıcı ile birlikte bir MR uyumlu bir küçük hayvan havalandırma sistemi, burada kullanılmıştır. Bir başlangıç ​​hacmi olarak bir hava orta hacmi, yaklaşık 500 ml / dk ile 45 solunum / dk vantilatör ayarlayın. % 2 izofluran ayarlayın ve tarama odasına sıçan aktarın. Sıçan endotrakeal tüp ventilatörün çıkışını takın ve güvenli sıkıca bastırın. Kapnometri mümkün endotrakeal tüp konektörüne yakından bağlı bir tüp kullanılarak elde edilmelidir. 3.3% 2.6% bir Endtidal CO 2 üretmek için havalandırma ses seviyesini ayarlayın. Sıcaklık kontrolü için bir dolaşan sıcak su banyosu ile tarayıcı içine sıçan eklemek için bir MR-uyumlu küçük hayvan tutucu kullanın. Tutucuya banyosunun Pad Teyp ve temiz emici kağıt ile örtün. Sıcak su yatağına sıçan yerleştirin.
  3. Arteriyel oksijen doygunluğu ve kalp hızı da yararlı fizyolojik parametreleri ise sıcaklık ve karbondioksit seviyelerinin izlenmesi, BOLD fMRI için gereklidir. Bir MR-uyumlu bir rektal sıcaklık probu ve kuyruk tabanına bandı için takın ve daha sonra 37 ° C'de normal vücut sıcaklığının muhafaza edilmesi için su banyosu sıcaklığını ayarlamak Kullanılan anestezik türüne bağlı olarak değişebilir, sırasıyla,% 95-98 onları korumak ve 250-350 bpm, küçük bir hayvan oksimetre sistemi kullanılarak arteriyel oksijen doygunluğu ve kalp atışlarının izlenmesi. Oksijen doygunluğu ve kalp hızı hem anestezi, ventilasyon hacmi ve havalandırma oranı derinliği etkilenmektedir. Ventilasyon hacmi ve hızı gerekebilirdikkatle yeterli endtidal CO 2 düzeyleri ve yeterli oksijen doygunluğu korumak için dengeli olması.
  4. Bir yüzey bobin BOLD fMRI edinimi için gereklidir. Mümkün olduğu kadar kafa yüzeyine yakın yüzey bobin yerleştirin. Bir kez güvenli, beyin yüzeyine yakın duyarlılık eserler azaltmak amacıyla çimento kap kafasının yüzeyine diş macunu yer Not:. Daha büyük bir yüzey bobinler olabilir ama biz, yaklaşık 1.6 sm bir iç çapa sahip bir ev yapımı alıcı-verici bobin yüzey kullanımı subkortikal derin bölgelerde BOLD yanıt optimize etmek için kullanılır.
  5. Programlanabilir elektrik stimülatörü sistemine uyarıcı elektrot bağlayın Not:. Biz MR taramaları RF zorlamalara senkronize elektriksel darbeleri sunmak için bir bipolar uyancısına bağlı sistemini tetikleyen bir ısmarlama programlanabilir TTL kullanın.
  6. FMRI veri toplama sırasında sedasyon ve felç için, (deksmedetomidin bir kokteyl kullanın 0.1epileptik aktivitesi 2 önlemek için% 0.5 'lik düşük dozlu izofluran ile kombine mg / kg / saat ip) ve pankuronyum (1 mg / kg / saat, ip). Pompa manyetik bir ortama yerleştirilebilir için ise ilaç infüzyonu için, bir MR uyumlu şırınga pompası kullanılmalıdır. Alternatif olarak, uzun bir kateter noncompatible pompa boru donanımı kullanılması koşuluyla, manyetik ortamı dışında yerleştirilebilir.

3. fMRI Veri Toplama

Üçüncü adım konumlandırma, layneri, anatomik taramaları ve fonksiyonel taramaları da dahil olmak üzere, fMRI kazanım. Bu tekniğin diğer yüksek-alan sistemlerinin adapte ve ticari MR bobinleri yapılmış olabilir ama ev yapımı bir yüzey bobini ile 9.4 Tesla sistemi, burada kullanılmıştır.

  1. Mıknatısın merkezinde tarayıcı ve yerine sıçan yerleştirin. Tam ilgi beyin bölgelerine göre mıknatıs içindeki sıçan ortalamak için üç uçak izci görüntü kullanın ve hızlı eşlemi homojen için shimmingilgilenilen bölgelerinde manyetik alan Nize.
  2. Sagittal T2 ağırlıklı NADİR dizisi (, matris boyutu, 256 x 256, kesit kalınlığı 1.5 mm; TR / TE 1500/11 ms; NADİR Factor, 8; Açı çevirin, 180 ° FOV, 2.56 x 2.56 cm 2) kullanın anterior commissura yerini bulmak ve bu konuma sonraki görüntüleri hizalamak. Bu noktaya sekiz dilim tek-shot GE-EPI taramalar (TR / TE 1000/14 msn; 128 x 128 için yeniden matris boyutu, 96 x 96;, kesit kalınlığı, 1mm FOV, 2.56 x 2.56 cm 2) hizalayın koronal yönlendirme ile.
  3. Fonksiyonel taramalarda, 40 sn dinlenme ardından 20 sn dinlenme ayarlanmış stimülasyon çıkışı senkronize 1 ikinci temporal çözünürlük, 10 sn stimülasyon, 70 ardışık EPI taramaları kullanın. Nörovasküler kurtarma sağlamak için taramalar arasında 90 saniyelik bir az izin. Ortalayarak sinyal-gürültü oranını artırmak için her uyarım parametre birden fazla tekrarlanan taramalar elde. Kukla bir dizi tarama (genellikle 4-8 kullanın) Gürültü azaltma için taramaya hemen önce. Ortalama, coregistration ve kafatası-sıyırma Bu ortamda atlanabilir rağmen, 4. bölümde anlatılan yöntemi kullanarak deney başarılı olmasını sağlamak için görüntü elde anda BOLD yanıtı onaylayın.
  4. Fonksiyonel tarama tamamlandıktan sonra, T2-ağırlıklı NADİR spin-eko sekansı (FOV, 2.56 x 2.56 cm 2 kullanın; matris boyutu, 256 x 256, kesit kalınlığı, 1 mm; TR / TE, 2500/33 ms; ortalamalar, 8 ) in vivo elektrodun anatomik pozisyonunu ölçmek için uygulanır. Anterior / posterior, medial / lateral ve dorsal / ventral eksen boyunca elektrot dışlayıcı ucu ölçmek ve elektrot yerleştirme onaylamak için birden fazla koronal ve sagital bölümleri edinin. Yüksek çözünürlüklü manyetik rezonans mikroskopi (FOV, 1.8 x 1.28 cm, matris boyutu, 360 x 256, kesit kalınlığı, 0.5 mm; TR / TE, 2500/12.6 ms; NADİR faktörü, 8; ortalamalar, 280) incelemek için kullanılabilir ilgili çıkarılmasından sonra, elektrot sisteminin kesin yeriYakın Nöroanatomik yapılara ve elektrot yerleştirme 3 doğruluğunu onaylayın.

4. fMRI Veri İşleme ve Analizi

Dördüncü adım işleme ve tepki haritalar ve yüzde BOLD sinyal değişikliği hesaplama nesil de dahil olmak fMRI verilerin analizi. Bir bilgi işlem ortamında (örneğin MATLAB) veya ticari fMRI yazılım araçları (örneğin. SPM, FSL veya AFNI) çalışan özel programlar kullanılabilir.

  1. Across-konu takiben, denek içi sıklığına göre ilk görüntü coregistration ve veri ortalama ile başlayın Not:. Bu kullanarak SPM kodları başarmak.
  2. Sinyal eşikleme ile ilgi elle tanımlanmış bir bölge (ROI) kullanılarak nonbrain doku kaldırmak için sıyırma kafatası gerçekleştirin. Otomatik kafatası sıyırma algoritmalar kullanılabilir.
  3. BOLD res arasındaki ilişkinin korelasyon katsayısı hesaplanarak tepki haritalar derlemekzaman ve her vokselin için uyarma paradigması üzerinde Ponse. Hemodinamik yanıt gecikme için hesaba paradigma birkaç saniye geciktirmek gerekebilir. P Set anlamlı seviyesi <Bonferroni düzeltmesinden sonra 0.05. Diğer istatistiksel yöntemler kullanılabilir. Gauss Rastgele Field dayalı Rastgele Alan Teorisi veya küme düzeyi düzeltme kullanarak çoklu karşılaştırmalar için düzelterek daha hassas analiz 4 için Bonferroni düzeltmesi yerine yapılabilir Not:. Hemodinamik gecikme hedeflenen beyin bölgelere göre değişebilir, farmakolojik ajanlar kullanılabilir ve fizyolojik parametreleri. Bu konu içinde ve arasındaki konular değişkenliği önlemek amacıyla bu parametreleri kontrol etmek çok önemlidir.
  4. Zaman ders veri ayıklamak için bir yatırım getirisi tanımlayarak BOLD yanıtı ölçmek. Aynı anatomik yapısı içinde tüm voksellerden genelinde yüzde sinyal değişikliği ortalama. Genel Doğrusal Model kullanılarak voksel-bilge analizi de 5 kullanılabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Örnek işlevsel veri yandaki subtalamik çekirdeğe takılan bir uyarıcı elektrot ile tek bir sıçan yukarıdaki protokole uygun olarak elde edildi. DBS FMRI görüntü elde etmek için gerekli kurulum bir örnek, Şekil 1 'de verilmiştir. Uyarım 0.3 mA, 130 Hz ve 0.09 msn darbe genişliğinin frekans bir genlik ile, yukarıdaki protokole uygun uygulanmıştır. Ipsilateral motor korteks sağlam aktivasyonu sürekli uyarım hedef olarak subtalamik çekirdek Bu protokol kullanılarak görselleştirilmiştir. Bir kare dalga uyarılması model ile, bir kalın sinyal, uyarım periyodu için ilişkili bir zaman süresi ile taban (no-uyarım durumu) ile ilgili olarak modüle edilmesi beklenir. Burada pozitif BOLD yanıtları dikkate alınarak a, beklenen beyin bölgesi (Şekil 2) ve uyarma paradigması iyi-ilişkili bir ON / OFF deseni gözlenir kısa hemodinamik gecikmesi (Şekil 3). Haritada (Şekil 2), bir şarjlı Nöroanatomik atlas 1 bireysel beyin bölgelerinde BOLD etkisini karşılaştırmak ilgi hassas bölgeleri tanımlamak için kullanılır olabilir. Ilgi çekici bölgelerinde her beyin bölgesinde yerleştirilebilir olsa STN DBS için motor korteks siyah ile tepki, Şekil 3 'de gösterilmiştir. Bu tepkiler daha sonra tarar ve sonra konular stimülasyon tutarlı bir yanıt üretmek beyin bölgelerini tespit etmek arasında arasında ortalama olabilir. Diğer nöro anatomik yapıların hedeflenmesi Bu deneyde gösterilenlerden daha farklı yanıt modelleri üretebilir. Ayrıca, elektrot yerleştirme yanlışlığına bile küçük bir derece elektrot türleri ve elektriksel stimülasyon parametreleri 3 Mayıs farklılıklar gibi, karşılık olarak büyük farklılıklar üretebilir.

/ Ftp_upload/51271/51271fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51271/51271fig1.jpg "/>
Şekil 1. Yüzey bobin, elektrot pozisyonu ve uyarıcı senkronizasyonu ile temel fMRI yapılandırma şeması.

Şekil 2,
Şekil 2. Dilimleri anterior posterior, tek bir hayvana korelasyon katsayıları ile etiketlenmiş Temsilcisi EPI görüntüleri sağa sola görüntülenir. Renk çubuğu her voksel korelasyon katsayıları gösterir.

Şekil 3,
Şekil 3,. Tek bir hayvandan zamanla BOLD Tipik% birden fazla tarama üzerinde ortalamaAynı stimülasyon parametreleri: 0.3 mA, 130 Hz, 0.09 ms atım eni sarı bar uyarım subtalamik çekirdek tatbik edildiği zaman süresi gösterir.. . ROI Not motor korteks içinde oldu: Bu stimülasyon parametreleri STN de DBS için standart aralığında, fakat alternatif uyarma siteleri için modifiye gerekebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Aynı anda DBS ve fMRI in vivo olarak, sinir stimülasyonu devre küresel alt tepkilerinin tanımlanması ve karakterizasyonu için gelecek vaat eden bir deneysel araç kiti temsil eder. Gibi elektrofizyolojik kayıtları gibi mevcut diğer araçlar üzerinde bu tekniğin en büyük avantajı, beyin dokusunun büyük ve çeşitli bir alan herhangi bir hedefe DBS yanıt incelendi sayede fMRI, görece tarafsız doğada yatıyor. Açıklanan protokol, sıçanda DBS-FMRI özel olmakla birlikte, DBS tepkilerin görüntüleme da başarılı bir şekilde 6 domuz da dahil olmak üzere diğer model organizma olarak yapılmıştır.

Belki de bu tekniğin en belirgin uygulama bazı nörolojik ve psikiyatrik bozukluklar, yani için terapötik uygulanan DBS modelleme. Parkinson hastalığı 7-9. Parkinson hastalığı hastalarda, yüksek frekans uyarım subth ya daalamic nükleus (STN) veya dahili pallidum (GPi) birçok motor semptomların 10 giderilmesi için etkilidir. Her iki standart motoru ve limbik bölge S6 içinde yüksek aktivasyonu bu hedeflere sonuç ya da yüksek frekanslı DBS. Bu uzamsal dinamik FMRI yanıtların karakterizasyonu, davranış analizi ile tamamlanmaktadır zaman, tedavi DBS devrelerin belirlenmesinde yardımcı olabilir. Bu tür çalışmalarda çıkarılan sonuçlar kolayca özellikle mevcut hedefleri ve çeşitli hastalıklar ve bozukluklar için yeni hedefler için DBS uzantısı DBS arıtma için, kliniğe çevirmek gerekir.

Belirli birkaç sınırlamalar DBS-fMRI özellikle uygun olmasına rağmen fMRI Genel sınırlamalar yaygın, başka yerde yorumlanan 11 olmuştur. DBS yeterince fMRI ile çözülebilir değil hücresel aktivite 12 zamansal dinamik değişikliklere neden olabilir. Ince Temporal gerektiren deneyler içindaha çözünürlük şu anda yalnız fMRI tarafından sunulan olabilir, biz fMRI 13-15 ile birlikte elde edilebilir elektrofizyolojik kayıtları, öneririz. Ek bir sorun sinirsel aktivite 16-21 yanıt gözlenen karmaşık BOLD yanıtları ilgilidir. Tek başına fMRI veri göre bu modülasyon yönünü çıkarım zaman dikkat alınması gereken, ancak FMRI, DBS ile modüle alanlarının tespiti için izin verir. Birden fMRI yöntemleri (örneğin BOLD, serebral kan akımı, serebral kan hacmi, fonksiyonel bağlantı ve manganez kontrastlı MRG), yanı sıra elektrofizyolojik ve histolojik verilerin uygulaması gibi sonuçlara güçlendirmelidir.

Bu protokolde verilen talimatlara çoğu hali hazırda 22, hedef optogenetic uyarımı dahil olmak üzere alternatif yöntemleri için kabul edilebilir. Optogenetic deneyler için, bir lazer sürücü las tetikleyen TTL elde uyarım yazılımı ile entegre edilebilirbakliyat er. Bu tür deneyler için, bu fiber optik tarayıcı oda dışında bulunan bir lazer sürücü akuple edilebilir ve böylece, uygun uzunlukta bir patch kablosu kullanmak önemlidir. Opto-fMRI elektrik DBS-fMRI yanıtları kolayca belli devreler alımı isnat edilemez ise, genetik olarak belirlenen hücre popülasyonlarının içinde faaliyet seçici modülasyonu ile uyarılan nörovasküler değişikliklerin tespiti için izin verir. Bununla birlikte, elektrik DBS sadece hasta popülasyonlarında elektriksel stimülasyon dayanan tedavi DBS, eğitim için daha büyük öteleme değeri muhtemeldir.

Güvenlik ve lokal doku hasarı Kaygılar hem klinik ve hayvan araştırma ortamlarında eşzamanlı DBS ile nöro için önemli hususlar vardır, ve başka yerlerde (Carmichael 23,24) tartışılmıştır. Birçok MRG sekansları önemli ısıtma ve doku hasarına neden potansiyeline sahip olsa da, stimülasyon parametreleri birnd Bu protokolde tarama dizileri bu faktörler, dinlenme süreleri arasındaki her bir tarama dizisinin özellikle uzunluğunu en aza indirmek için tasarlanmıştır. Gibi, taramaları onlarca sonra uyarılmasına tepkiler pilot çalışmalarda tutarlı dayanıklı ve lokal doku hasarının belirtisi bu protokol geçerli teslimat ve kullanılan elektrodun MR uyumluluğu açısından güvenli olduğunu teyit, otopsi görüntüleme görülür .

DBS yanıt bölgesel modülasyon profilleri ile ilgili verilen bilgilerin zenginliği ile birleştiğinde tarif DBS-fMRI prosedürün esnekliği, sistem düzeyinde nörobilim çeşitli uygulamalar için bu prosedür idealdir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Biz filme yardım için Shaili Jha'yı ve Heather Decot teşekkür ederim.

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

Nörobilim Sayı 84 Elektrik Stimülasyonu Terapisi Hayvan Deneyleri İmmobilizasyonu entübasyon Modelleri Hayvan beyin görüntüleme Fonksiyonel beyin görüntüleme Stereotaksik Teknikleri Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) derin beyin stimülasyonu (DBS) kan oksijen seviyesi bağımlı (BOLD) subtalamik nükleus kemirgen
Kemirgenler Eşzamanlı fMRI ile derin beyin stimülasyonu
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