Kemirgenler Eşzamanlı fMRI ile derin beyin stimülasyonu
15 Şubat 2014
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.
Merhaba, ben John Ya. Ve ben Dan Alba. Bugün fonksiyonel MRG'nin işe yarayacağını göstereceğiz. Bir sıçanda eşzamanlı derin beyin stimülasyonu.
Bu tekniği, çeşitli hedeflerde derin beyin stimülasyonuna beyin boyunca fonksiyonel tepkileri haritalamak için kullanabiliriz. Bu prosedür, stereotaktik elektrot implantasyonu FMRI edinimi, fonksiyonel yanıtların bir analizini içerir. İlk adım elektrot implantasyonudur.
Subtalamik çekirdeğe tek taraflı olarak bir elektrot yerleştireceğiz. Hayvanı tamamen uyuşturarak ve prosedür boyunca oksijenasyon ve vücut ısısı dahil olmak üzere fizyolojik parametreleri izleyerek başlayacağız. Saçları çıkararak cerrahi bölgeyi hazırlamaya başlayın ve hayvanı stereotaktik bir çerçeveye takın.
İşlem sırasında hayvanın gözlerini yağlamak için merhem kullanın. Bölgeye antiseptik uygulayın ve sterilize edilmiş alana perdeler uygulayın. Ameliyat bölgesinin hazırlığını tamamlamak için.
Kafatasının üzerindeki deriyi ve fasyayı çıkarın, bgma ve lambda'nın ortaya çıktığından emin olun. İşlemin ilerleyen aşamalarında çimento bağlantısını iyileştirmek için kafatası yüzeyini pürüzlendirmek için bir neşter kullanın. Ve kemik yüzeyi üzerinde hemostaz ve kesik dokular için elektrokoterde steril pamuk kullanın.
Kraniotomi konumu için referans olarak bgma'nın tam konumuna dokunmak için stereotaktik kola bağlı bir iğne kullanın ve kafatasındaki konumu subtalamik çekirdek iğnesi ile işaretleyin. Bu 3.6 milimetre posterior torema ve orta hattan 2.5 milimetre lateral olacaktır. Kafatasında küçük bir delik açmak için küçük bir matkap kullanın, deliğin kenarlarını temizleyin ve araştırın.
Dural yüzeyi iyice bozmak için küçük bir ölçü iğnesi kullanın ve herhangi bir ek kanama veya beyin omurilik sıvısı sızıntısını temizleyin. Şimdi ankraj için kafatasına MRI uyumlu bir vida yerleştireceğiz. Kafatasında kontralateral ve gelecekteki elektrot konumunun arkasında bir delik açın.
Vidayı güvenli olacak kadar derine yerleştirin, ancak dura veya kortekse bastırmadan, stimülasyon için MRI uyumlu ev yapımı iki kanallı tungsten mikro elektrot kullanıyoruz. Elektrodu düz olduğundan ve uçların ayrılmadığından emin olmak için inceleyin. Elektrodu stereotaktik kola dikey konumda yerleştirin ve ucu bgma'ya dokundurun.
Ölçüm için stereotaktik çerçeveyi kullanarak elektrodu hedef beyin bölgesinin konumuna getirin ve kortikal yüzeye dokunun. Ölçüm için stereotaktik çerçeveyi kullanarak elektrodu indirin. Elektrotta bükülme olmadığından emin olun.
Bu işlem sırasında, önce bir ilk çimento tabakası yerleştirin ve kuru bir kafatası servisi sağlayın. İlk katman kuruduktan sonra, elektrodu arkaya doğru bükün, ardından stabiliteyi artırmak için ek çimento uygulayın. Hayvan çıkarmadan önce çimentonun tamamen kurumasını bekleyin.
Hayvan şimdi resüsitasyona tabi tutulabilir veya fonksiyonel MRI taraması için hemen hazırlanabilir. İkinci adım, hayvanı FMRI ve FMRI edinimi için hazırlamaktır. Bu, ameliyattan hemen sonra veya birkaç gün sonra yapılabilir.
Hayvanın kafasını bobine göre tamamen hareketsiz hale getirmek için bir başlık kullanılmalıdır. Hayvan endotrakeal, entübe edilmeli ve havalandırılmalıdır. Çeşitli anestezikler kullanılabilir.
Düşük doz isof ile dme, toine ve combin kullanıyoruz. Flor felci, ventilasyon tüpünün endotrakeal tüp ile birleştiği yere yakın pantonyum alıcı kapak geometrisi kullanılarak yapılmalıdır. TAL CO2 sonunu stabilize etmek için ventilatör ayarlarını yapın.
Normal aralıkta, genellikle %3'e yakın sıcaklıklar, kuyruğun tabanına sabitlenmiş bir rektal prob kullanılarak izlenmelidir. Vücut ısısını normal aralıkta sabitlemek için sirkülasyonlu bir sıcak su banyosu ayarlanmalıdır. Nabız oksimetresi ayrıca arka pençe bölgesinde de elde edilebilir, görüntü kalitesini iyileştirmek için taranacak alanın üzerine diş macunu yerleştirilebilir.
Taranacak beyin bölgelerinin üzerine doğrudan bir yüzey bobini yerleştirin. Bobini başlığa ve tutucuya sıkıca sabitleyin. Uyarıcı sistemi elektrot konektörüne bağlayın ve uçları yerine sabitleyin.
Mıknatısın soğutulmuş ortamında daha iyi yalıtım için hayvanın üzerini örtün. Şimdi hayvanı mıknatısın merkezine yerleştirmenin zamanı geldi. Hayvanın tarayıcı içinde küresel olarak hassas bir şekilde konumlandırılması için üç düz S izci görüntüsü kullanın.
Manyetik alanın homojenliğini artırmak için kortikal yüzeye referans olarak şim. Ardından, fonksiyonel taramalar için kullanılacak beyin bölgelerinde yerel olarak şim yapmak için FMAP kullanın. Orta sagital düzlemde tek bir T iki ağırlıklı dilim elde edin.
Tek bir çekim gradyanı oluşturun. 96 x 96 matris boyutu, 2,56 x 2,56 santimetre görüş alanı ile Echo EPI taraması. 1000 milisaniye tekrarlama süresi, 14 milisaniye yankı süresi ve dört sahte tarama ve ardından 70 tekrar ile bir milimetre dilim genişliği.
Bu parametrelerle yapılan her tarama bir saniye sürmelidir. Toplam 70 saniyelik bir tarama süresi için, denekler arasında geometrik tutarlılık için bu EPI taramasını önceki T iki sagital görüntünün ön komisyonuna hizalayın, stimülasyon, frekans, darbe genişliği ve stimülasyon paradigmasını ayarlayın ve stimülasyon tetikleyicisini tarama dizisinden RF çıkışlarına senkronize edin. Burada 130 hertz frekans, 90 mikrosaniye darbe genişliği ve 60 saniye dinlenme, ardından 30 saniye stimülasyon ve son olarak 120 saniye dinlenme stimülasyon paradigması kullanıyoruz.
Ardından, istenen akım genliği ve bipolar akım çıkış çalışması dahil olmak üzere stimülasyon akımı tipini ayarlayın. EPI taraması, aşağıdaki bölümde açıklanan veri analiz araçlarını kullanarak sağlam bir yanıt sağlamak için edinim kontrolünden sonra stimülasyonun uygun şekilde tetiklenmesini sağlar. Bu olmazsa, stimülatör bağlantılarını kontrol edin.
Tüm taramalar gerekli olduktan sonra, yaklaşık elektrot konumunu ölçmek ve amaçlanan hedef içinde elektrot konumunu sağlamak için anatomik taramalar yapılmalıdır. Daha sonra, sıçan yeniden canlandırılabilir ve daha sonraki deneyler için korunabilir. Son olarak, gerekli tüm deneyler yapıldıktan sonra, hayvan formalin ile beyin perfüsünde ötenazi yapılabilir.
Elektrot kanalı çıkarıldığında, çözünürlüğü T gizle Elektrot yolunu ve yakındaki yapılarla ilişkisini belirlemek için iki ağırlıklı tarama gerçekleştirilebilir. Bu durumda, elektrot yolu, implantasyon doğruluğunu teyit eden subtalamik çekirdekteki iç kapsüle sadece ventral olarak sonlanır. Ardından, işlevsel taramalarımızın sonuçlarını işleyeceğiz ve analiz edeceğiz.
Bunun için, matlab içinde çalışan özel bir yazılı program kullanacağız, ancak FMRI analizi için diğer yazılım paketleri matlab'da benzer şekilde kullanılabilir. Tüm uyaran denemelerine katı cisim uygulamak için SPM kodlarını kullanın. Ardından, taramaların zaman seyrini koruyarak ortalama bir görüntü segmenti oluşturun, bir kesme eşiği uygulandıktan sonra kafatası sıyırma işlemini manuel olarak gerçekleştirin.
Şimdi ilgilenilen beyin bölgeleri için korelasyon katsayısı haritaları oluşturacağız. Gürültü azaltma, minimum küme boyutu veya üçe üç düşük geçişli yumuşatma kullanılarak gerçekleştirilebilir. Stimülasyon paradigması girilmelidir ve hemodinamik gecikmeyi hesaba katmak için kısa bir paradigma gecikmesi ayarlanabilir.
Her voksel için, zaman içindeki sinyal yoğunluğu değişiminin korelasyon katsayısı daha sonra stimülasyon paradigmasına göre hesaplanabilir. Bu, top tepkisinin deneysel protokolle güçlü bir şekilde ilişkili olduğu nöro anatomik bölgeleri belirlemek için her dilim üzerinde haritalanabilir. İlgilenilen bölgeler manuel olarak tanımlanabilir veya yaklaşık olarak bir çokgen kullanılabilir.
Bu ilgi alanı içindeki yüzde sinyal değişimi daha sonra temel olarak ön stimülasyon sinyali kullanılarak belirlenebilir. Bu değerler daha sonra istatistiksel analiz için dışa aktarılabilir. Burada subtalamik çekirdekte derin beyin stimülasyonu gerçekleştirdik ve korelasyon katsayısı haritamızdaki yanıtlar bu çekirdekten uzak beyin bölgelerinde.
Burada en arka dilimde stimülasyon yerinin önünde pozitif, kalın ve kortikal bölgeler görüyoruz. Uyarıcı elektrottan gelen artefakt, zaman içinde kalın sinyal yoğunluğundaki değişim, örnek bir kortikal ilgilenilen bölge için hesaplandığında görülebilir. Sonuç, burada sarı bir çubukla görüntülenen stimülasyon paradigması ile ekranda görüntülenir.
Bu, cesur yanıtı ölçmek için kullanılabilir ve daha fazla analiz için, kemirgen modelinde eşzamanlı fonksiyonel MRG ile derin beyin stimülasyonunu yeni gösterdik. İzlediğiniz için teşekkür ederim ve deneylerinizde iyi şanslar.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu protokol, kemirgenlerde eş zamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme ve derin beyin stimülasyonu için bir yöntem tanımlamaktadır. Bu teknik, çeşitli hedefler boyunca elektriksel stimülasyona verilen beyin yanıtlarının haritalandırılmasına olanak tanır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Nörogörüntüleme
- Elektrofizyoloji
Arka Plan
- Fonksiyonel MRI, beyin aktivitesine dair bilgiler sağlar.
- Derin beyin stimülasyonu, nöronal aktiviteyi modüle etmek için kullanılır.
- Bu tekniklerin birleştirilmesi, kapsamlı bir analize olanak tanır.
- Bu yöntem, araştırma amaçlı kemirgen modellerinde uygulanabilirdir.
Çalışmanın Amacı
- Stimülasyona yanıt olarak küresel beyin aktivitesini keşfetmek.
- Çeşitli hedeflerdeki derin beyin stimülasyonunun etkilerini değerlendirmek.
- Beyin fonksiyonu ve bağlantısallığına dair anlayışı geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Stereotaktik elektrot implantasyonu
- Fonksiyonel MRI veri toplama
- Fonksiyonel yanıtların analizi
- Beyin aktivitesinin haritalanması
Temel Sonuçlar
- Stimülasyonla aktive olan beyin bölgelerinin tanımlanması.
- Fonksiyonel bağlantı değişikliklerinin karakterizasyonu.
- Beyin yanıt modellerinin dinamiklerine ilişkin öngörüler.
- Nörolojik bozuklukların anlaşılmasında potansiyel uygulamalar.
Sonuçlar
- Bu yöntem, nörobilim araştırmaları için güçlü bir araç sunmaktadır.
- Beyin fonksiyonlarının gerçek zamanlı olarak incelenmesine olanak tanır.
- Gelecekteki çalışmalar, daha derinlemesine içgörüler elde etmek için bu yaklaşım üzerine inşa edilebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Endüstriyel Uygulama ve Önemi
Kemirgenlerde eş zamanlı derin beyin stimülasyonu ve fMRI uygulanması, nöral devre modülasyonunun hassas bir şekilde haritalandırılmasını sağlayarak nöromodülasyon tedavisi geliştirme süreçlerinde hedef doğrulamasını ve mekanik risk azaltmayı destekler. Bu yaklaşım, stimülasyon parametrelerini fonksiyonel ağ yanıtlarıyla ilişkilendirerek preklinik DBS çalışmalarındaki öngörücü güveni artıran kantitatif, tüm beyin verileri sunar. Aşağı akış yönündeki nöronal etkiler hakkında tarafsız ve sistem düzeyinde içgörüler sağlayarak, preklinik stimülasyon verilerinin klinik deney tasarımına aktarılmasındaki kritik bir boşluğu doldurur.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Subtalamik çekirdek gibi spesifik hedeflerdeki stimülasyona verilen aşağı akış nöronal yanıtlarının haritalanması yoluyla terapötik hipotezlerin sorgulanmasını sağlar.
- Operasyonel Değer: Yolak etkileşimini ve hedef dışı etkileri açıklığa kavuşturan tüm beyin fonksiyonel okumaları aracılığıyla biyolojik risk azaltımını destekler.
- Öngörücü Değer: Stimülasyon parametrelerini, hastalıkla ilgili devrelerdeki ölçülebilir BOLD yanıtlarıyla ilişkilendirerek hedef güvenini artırır.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Analiz Hazırlığı: Temel fonksiyonel bağlantısallığı ve stimülasyonla tetiklenen yanıt profillerini belirleyerek, doğrulanmış nöral devreleri bileşik değerlendirmesine hazırlar.
- Kantitatif Çıktı: Doz-yanıt ve stimülasyon parametresi optimizasyonuna olanak tanıyan, tekrarlanabilir, voksel düzeyinde yüzde sinyal değişimi ölçümleri üretir.
- Platformun Yeniden Kullanımı: Ölçeklenebilir tarama kampanyalarını destekleyerek, birden fazla beyin hedefinde nöromodülatör etkilerin değerlendirilmesi için standartlaştırılmış bir iş akışı oluşturur.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Hastalıkla İlişkisi: Parkinson hastalığı için STN gibi insan DBS hedeflerini modeller; stimülasyon etkinliğinin ve ağ modülasyonunun preklinik değerlendirmesine olanak tanır.
- Translasyonel Süreklilik: Hedef etkileşimi ve fonksiyonel bağlantı değişikliklerine ilişkin görüntüleme biyobelirteçleri sağlayarak keşif ve preklinik aşamalar arasında köprü kurar.
- Riskten Arındırılmış İlerleme: Stimülasyon paradigmaları genelindeki nöral yanıtların tutarlılığını ve özgüllüğünü nicelendirerek devam/dur kararlarına temel oluşturur.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu yöntem, hedef doğrulamada erken aşamada hipotez odaklı devre sorgulamasına olanak tanıyarak, tarama için analizlerin geliştirilmesine doğru ilerleyerek ve tekrarlanabilir fonksiyonel okumalar yoluyla preklinik doğrulamayı destekleyerek keşif iş akışına entegre olur.
- Keşif Biyolojisi: Bağlantılı bölgeler boyunca stimülasyon kaynaklı beyin aktivitesini haritalayarak hipotez testlerini ve yolak açıklığa kavuşturma süreçlerini destekler.
- Tarama: Tutarlı elektrot yerleşimi, stimülasyon paradigmaları ve kantitatif BOLD sinyal analizi aracılığıyla analiz standardizasyonunu sağlar.
- Analitik: Koşullar arası karşılaştırmaya ve ağ modülasyonunun istatistiksel değerlendirmesine olanak tanıyan korelasyon katsayısı haritaları ve yüzde sinyal değişim metrikleri sunar.
- Translasyonel Araştırma: Hastalık modellerindeki bilinen terapötik devrelerle uyumlu, stimülasyona yanıt veren ağları tanımlayarak preklinik doğrulamaya bağlantı kurar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Projeler genelinde çeşitli nöromodülasyon hedeflerini ve stimülasyon parametrelerini değerlendirmek için yeniden kullanılabilir bir nörogörüntüleme platformu oluşturur.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Tüm beyin fonksiyonel haritalama yoluyla mekanistik belirsizliği azaltarak, hedef modülasyonunda öngörüsel güven sağlar.
- Operasyonel Değer: Standartlaştırılmış anestezi protokolleri, fizyolojik izleme ve artefaktları minimize eden elektrot tasarımı ile tekrarlanabilirliği sağlar.
- Stratejik Değer: Stimülasyon parametrelerini ölçülebilir ağ yanıtlarıyla ilişkilendirerek go/no-go karar verme sürecini iyileştirir ve geç aşama biyolojik risklerini azaltır.
- Portföy Etkisi: Doğrulanmış fonksiyonel bağlantı ve yanıt özgünlüğüne dayanarak, nöromodülasyon hedeflerinin riske göre ayarlanmış önceliklendirmesine olanak tanır.
Uygulama Hususları
- Elektrotların doğru yerleştirilmesini ve artefakt kontrolünü sağlamak için stereotaktik cerrahi, MR fizik ve elektrofizyoloji konularında uzmanlık gerektirir.
- MR uyumlu stimülasyon donanımlarına, fizyolojik izleme sistemlerine ve özelleştirilmiş görüntü analiz hatlarına bağlıdır.
- Stimülasyon paradigmalarının, anestezi kokteyllerinin ve fizyolojik parametrelerin sürdürülmesinin merkezler arası ekiplerce standardize edilmesini gerektirir.
- Farklı beyin hedefleri için adaptasyon değerlendirmelerini içerir; bu da stereotaktik koordinatların yeniden kalibre edilmesini ve elektrot yerleşiminin doğrulanmasını gerektirir.
- Veri yorumlamada hesaba katılması gereken, elektrot kaynaklı kalıntı artefaktlar ve anestezik maddelerin nörovasküler etkileşim üzerindeki etkileri gibi pratik sınırlamaları içerir.
