Name: 설치류에 동시 fMRI를 깊은 뇌 자극 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-15T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 9 s
Description: 학습하세요 설치류에서 동시 fMRI와 심부 뇌 자극을 결합한 신경영상 기법을 통해 뇌 활동을 실시간으로 매핑하는 방법을. 이 프로토콜은 전극 삽입, 영상 획득, 기능적 반응 분석을 포함합니다.

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우리는 촬영에 대한 지원은 Shaili 신임 CEO 및 헤더 Decot 감사합니다.

윤리 성명 :이 절차는 동물 연구 (실험 동물의 관리 및 사용을위한 설명서)를위한 건강 지침의 국립 연구소에 따라와 노스 캐롤라이나 기관 동물 관리 및 사용위원회의 대학에 의해 승인됩니다. 1. 전극 이식 첫 번째 단계는 전극의 주입이다. 이 단계에서, 전극은 일방적으로 시상 하부 핵 (STN), 다음 방법을 사용하여 파킨슨 병 치료를위한 병진 유의성 작은 ​​핵으로 주입된다 : <ol><li> .이 단기적인 생존 수술입니다, 따라서 무균 기술이 필수적이다 : 고압 증기 멸균이 주 (전극 불임에 대한 예) 할 수없는 오토 클레이브, 또는 소독액을 사용하여 모든 수술 장비를 소독. 수술 후, 동물은 짧은 회복 기간 (48 시간) 후 또는 몇 주까지 영상화 할 수 있습니다 나중에. </li><li> 기관 내 삽관 및 작은 동물 인공 호흡기를 통해 관리 2.5 % 이소 플루 란 (isoflurane)을 사용하여 쥐 (성인 흰쥐 2백50-4백g)를 마취. 정위 수술 프레임에 쥐를 수정하고 무균 기술을 사용하여 수술 부위를 준비합니다. </li><li> 준비하고 전극은 멸균 있는지 확인합니다. 많은 MRI 호환 전극 유형은 작동하지만 집에서 만든 2 채널 텅스텐 마이크로 와이어 전극은이 절차에 사용됩니다. 사용 된 전극 형 따라서 전체적인 실험 결과에 영향을 미치는, 기계적 절차, 자극 된 조직 영역 및 주입 정확도에 의해 손상된 조직 영역에 영향을 미칠 수있다. 전극 형은 멸균 될 수없는 경우에, 가능한 한 작게 전극 살균 포비돈 요오드 방부제를 사용한다. </li><li> 사용 가위는 두개골에 브레 그마 및 람다을 밝히기 위해서, 약 1.5 cm의 직경 주입의 사이트를 통해 두피를 제거합니다. 두개골을 덮는 근육과 근막을 제거모든 전기 소를 사용하여 출혈을 중지합니다. </li><li> 치과 용 시멘트의 접착력 (단계 1.8)을 개선하기 위해 메스 여러 방향으로 두개골 표면을 손상. 수평 방향 레벨 브레 그마 및 람다. </li><li> . 브레 그마 3.6 mm 후방에서 STN을 대상으로 정중선 옆 2.5 mm는, 직경 약 1.5 mm를 측정하는 버 구멍을 만들 수있는 작은 팁 전기 드릴을 사용하려면 : 좌표를 정위를 참조하는 STN의 정확한 위치는 모른다 쥐의 피로, 체중, 성별에 따라 다릅니다. 같은 성별의 성인 쥐 위치에 어떤 변화를 최소화하기 위해 사용되어야한다. 가능하면, 미리 연산 해부 검사 또는 수술 전기 녹음 개별 제목 기준 STN 위치를 식별하기 위해 사용되어야한다. 또한, 전극 종단 사이트 조직 학적 목표 정확도를 보장하기 위해 검증되어야한다. <ol><li> 조심스럽게 경질에 절개를하고, 일의 측면에 경질을 이동하는 작은 무딘 집게를 사용전자 홀. 식염수에 적신 멸균면을 사용하여 출혈을 중지합니다. 하나 이상의 MR-호환 나사 구멍)을 생성하고이 안정 될 때까지 두개골 부드럽게을 삽입합니다. 나사는이 DBS 전극의 외부 커넥터의 위치에 방해가되지 않습니다 어떤 위치에 배치 될 수있다 (예를 들면.하지 직접 전극에 STN의 동측 뒤에). 우리는 이상적으로 직접 람다 봉합에 후부, 두개골의 측면 가장자리에 배치를 권장합니다. 이 시점에서, 두개골 나사 피질 손상 될 가능성을 감소, 상대적으로 두께가 &quot;주 :. 플라스틱 나사도 적합하지만, 길이 4-5 ㎜로 절단 금관 악기 나사,이 프로토콜에 사용됩니다. </li></ol></li><li> 똑바로 수직임을 보장 정위 팔에 전극을 배치합니다. 브레 그마에 전극을 터치 한 후 대뇌 피질의 표면을 중간 선 및 터치 정확히 3.6 mm의 브레 그마에 후방 2.5 mm 측면 전극으로 이동전극. 대뇌 피질의 표면에서 배쪽으로 전극 7.8 mm를 삽입합니다. 이 좌표는 신경 해부학 아틀라스 1을 참조하여 결정된다. </li><li> 두개골 나사와 전극 삽입 지점을 포함하여 두개골을 통해 치과 용 시멘트의 레이어를 놓습니다. 시멘트가 완전히 전에 정위 프레임에서 전극을 제거하는 경화 될 때까지 기다립니다. 벤드 전극은 이전 버전과 내구성 전극 기관 및 커넥터의 나머지 부분을 충당하기 위해 추가로 시멘트를 사용합니다. </li></ol> 2. fMRI를 준비 두 번째 단계는 생리적 모니터링 장비의 코일 및 설치 위치 등의 fMRI를위한 셋업이다. <ol><li> 스캔하는 동안 움직임을 방지하기 위해 동물의 머리를 고정 참고 :. 사용자 지정 플라스틱 intraauricular 바 시스템이 머리 고정 용 여기에 사용됩니다. 귀 운하에 막대를 놓고 머리가 일에 원활하게 회전되도록 투구에 고정수평 방향의 회전 전자 수직 방향. 장치에 상부 치아를 고정하여 머리의 위치를​​ 고정합니다. </li><li> 완전히 쥐를 마취하고 모든 검사를 통해 안정성을 보장하기 위해 최종 갯벌 CO 2를 모니터링 할 수 있습니다. 마취 및 진정 작용 화제의 다양성이 유사한 방식으로 사용될 수도 있지만 마취, 환기 및 조절 단부 조력 CO에게 스캔하는 동안이 수준을 유지하기 위해, 이소 플루 란 기화기와 결합 MR 호환 작은 동물 환기 시스템은, 여기에서 사용된다. 시작 볼륨으로 공기의 적당한 볼륨, 약 500 ㎖ / 분으로 45 호흡 / 분에 인공 호흡기를 설정합니다. 2 %에 이소 플루 란을 설정하고 스캔 방에 쥐를 전송합니다. 쥐의 기관 내 튜브로 인공 호흡기의 출력을 연결하고 보안을 단단히 누릅니다. Capnometry 가능한 기관 내 튜브 커넥터에 가깝게 연결 관을 이용하여 취득한다. 3.3 %에 2.6 %의 호 기말 이산화탄소를 생산하는 환기 볼륨을 조절합니다. </리&gt; <li> 온도 제어를위한 순환 온수 욕조가있는 스캐너에 쥐를 삽입 MR-호환 작은 동물 홀더를 사용합니다. 홀더에 목욕 패드를 테이프와 깨끗한 흡수 종이로 커버. 뜨거운 물 침대에 쥐를 놓습니다. </li><li> 동맥 산소 포화도와 심박수가 유용 생리 학적 파라미터를하는 동안 온도와 이산화탄소 수준의 모니터링, BOLD의 fMRI에 필수적이다. MR-호환 직장 온도 프로브와 꼬리의 기초에 테이프를 넣고 37 ℃에서 정상 체온을 유지하기 위해 물을 욕조의 온도를 조정 사용 마취제의 유형에 따라 달라질 수있는 각각 95-98%에서 그들을 유지 250-350 BPM, 작은 동물 맥박 산소 시스템을 사용하여 산소 포화도 및 심박수를 모니터링. 산소 포화도와 심박수는 모두 마취, 환기 볼륨 및 환기 속도의 깊이에 의해 영향을 받는다. 환기 볼륨과 속도를해야 할 수도 있습니다정중 적절한 기말 CO 2 레벨 및 충분한 산소 포화도를 유지하도록 균형을 이루어야한다. </li><li> 표면 코일 BOLD fMRI를 획득 필요합니다. 가능한 한 머리의 표면에 가까운 표면 코일을 배치합니다. 일단 확보 뇌 표면 근처 감수성 아티팩트를 감소시키기 위하여 시멘트 캡 헤드의 표면에 치약을 배치 참고. 큰 표면 코일이있을 수 있지만 우리는 약 1.6 cm의 내경이 제 송수신기 표면 코일을 사용 깊은 피질 영역에서 BOLD 반응을 최적화하는 데 사용됩니다. </li><li> 프로그램 전기 자극 시스템에 자극 전극을 연결 참고 :. 우리는 MR 검사에서 RF의 음원 정보에 동기화 된 전기 펄스를 전달하기 위해 바이폴라 자극기에 연결된 시스템을 트리거 맞춤 프로그램 TTL을 사용합니다. </li><li> 의 fMRI 데이터 수집 동안 진정 작용과 마비를 들어, (dexmedetomidine의 칵테일을 사용하여 0.1간질 활동 2 방지하기 위해 0.5 %의 낮은 복용량의 이소 플루 란과 함께 ㎎ / ㎏ / 시간, IP) 및 pancuronium (1 ㎎ / ㎏ / 시간, IP). 펌프는 자기 환경에 배치 될 경우 약물 주입의 경우, MR-호환 주사기 펌프가 사용되어야한다. 대안 적으로, noncompatible 펌프 확장 카테터 튜브를 사용하는 것을 제공 자기 환경 외부에 배치 될 수있다. </li></ol> 3. 의 fMRI 데이터 취득 방식 세 번째 단계는 위치, shimming, 해부학 적 검사 및 기능 검사를 포함, fMRI를 수집합니다. 이 기술은 다른 높은 - 장 시스템에 적응 및 상업적 MRI 코일 제조 될 수 있지만 제 표면 코일 9​​.4 테슬라 시스템은, 여기에서 사용된다. <ol><li> 자석의 중심에 스캐너와 위치에 쥐를 삽입합니다. 정확하게 관심의 뇌 영역에 대한 자석 내에서 쥐의 중심을 세 가지면 스카우트 이미지를 사용하여 FASTMAP는 균질 할 shimming관심 영역에 자기장을 nize. </li><li> 시상 T2 강조 RARE 순서 (, 매트릭스 크기 256 X 256, 슬라이스 두께 1.5 ㎜, TR / TE, 11분의 1,500 MS, 드물게 계수, 8, 각 플립, 180 ° FOV, 2.56 X 2.56 cm 2)를 사용하여 앞쪽에 접합면의 위치를​​ 찾고,이 위치 이후의 이미지를 정렬합니다. 이 점에 여덟 조각 단발 GE-EPI 스캔 (TR / TE, 14분의 1,000 MS, 128 x 128의에 복원 행렬의 크기, 96 X 96,,, 슬라이스 두께 1mm FOV, 2.56 X 2.56 cm 2)에 맞 춥니 다 관상 방향으로. </li><li> 기능 검사의 경우, 40 초 휴식 한 다음 20 초 휴식으로 설정 자극 출력 동기화 일초 시간 해상도, 10 초 자극과 70 연속 EPI 스캔을 사용합니다. 신경 혈관 복구를 할 수 있도록 스캔 사이 90 초 최소 허용합니다. 평균화함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 각 자극 파라미터에서 다수 반복 검사를 획득. 더미 일련의 스캔 (일반적으로 4-8을 사용하여) 소음 감소를 위해 주사 직전에. 평균, coregistration와 두개골 - 스트립이 설정에서 생략 될 수 있지만, 4 장에서 설명 된 방법을 사용하여 실험의 성공을 보장하기 위해 영상 획득시 BOLD 반응을 확인합니다. </li><li> 기능 검사가 완료되면, T2 강조 RARE 스핀 에코 시퀀스 (FOV, 2.56 X 2.56 cm 2를 사용하여, 매트릭스의 크기 256 X 256, 슬라이스 두께 1 ㎜, TR / TE, 33분의 2,500 MS, 평균, 8 ) 생체 내에서 전극의 해부학 적 위치를 측정한다. 전방 / 후방 / 중간 측면과 지느러미 / 복부 축을 따라 전극 이슈의 끝을 측정 전극의 위치를​​ 확인하기 위해 여러 관상 및 시상 부분을 취득. 고해상도 자기 공명 현미경 (FOV, 1.8 × 1.28 cm, 매트릭스 크기 360 × 256, 슬라이스 두께 0.5 mm; TR / TE, 2500/12.6 MS; RARE 계수, 8; 평균, 280)을 조사하는데 사용될 수있다 관련하여 제거한 후, 전극 요로의 정확한 위치근처의 신경 해부학 적 구조와 전극 배치 3의 정확성을 확인합니다. </li></ol> 4. 의 fMRI 데이터 처리 및 분석 네번째 단계는 처리 및 응답지도 및 퍼센트 BOLD 신호 변화의 연산의 발생 등의 fMRI 데이터의 분석이다. 컴퓨팅 환경 내에서 (예를 들어, MATLAB) 또는 상업적 fMRI를 소프트웨어 도구 (예. SPM, FSL, 또는 AFNI)를 실행하는 사용자 지정 프로그램이 사용될 수있다. <ol><li> 에서 피사체 뒤에 피험자 내 주파수에 의해 첫 번째 이미지의 coregistration 및 데이터의 평균으로 시작 참고 :. 우리는이 사용 SPM 코드를 달성. </li><li> 신호 임계 값과 관심을 수동으로 정의 된 영역 (ROI)를 사용하여 nonbrain 조직을 제거하기 위해 스트립 두개골을 수행합니다. 자동 두개골 스트리핑 알고리즘이 사용될 수있다. </li><li> BOLD 입술 사이의 관계의 상관 계수를 산출함으로써 응답 맵을 컴파일시간과 각 복셀에 대한 자극의 패러다임에 ponse. 혈역학 적 응답 지연을 고려하여 패러다임 몇 초를 지연하는 것은 필요할 수 있습니다. P에서 설정 상당한 수준의 &lt;Bonferroni 보정 후 0.05. 다른 통계적 방법이 사용될 수있다. 가우스 랜덤 필드를 기반으로 임의의 필드 이론 또는 클러스터 레벨 보정을 사용하여 여러 비교를 위해 수정하는 것은 더 민감 분석 4 Bonferroni 보정 대신 수행 할 수 있습니다 :. 혈역학 지연이 대상 뇌 영역에 따라 달라질 수 있습니다, 약물 에이전트 사용 생리 학적 매개 변수입니다. 이 주제 내 및 간 주제 변동을 방지하기 위해 이들 파라미터를 제어하기 위해 중요하다. </li><li> 시간 코스 데이터를 추출 할 수있는 투자 수익 (ROI)을 정의하여 BOLD 반응을 정량화. 같은 해부학 적 구조 내에서 모든 복셀에 걸쳐 %의 신호 변화를 평균. 일반 선형 모델을 이용하여 복셀 - 방향 분석도 5를 사용할 수있다. </li></ol>

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동시 DBS와의 fMRI는 생체 내에서 신경 회로의 자극에 글로벌 다운 스트림 응답의 식별 및 특성화를위한 유망한 실험 키트를 나타냅니다. 이러한 전기 생리학 녹음 등 다른 사용 가능한 도구를 통해이 기술의 가장 큰 장점은 뇌 조직의 크고 다양한 지역은 대상에서 DBS에 대한 응답을 검사 할 수있다 fMRI를, 상대적으로 공정한 성격에있다. 설명 프로토콜이 쥐에서 DBS-fMRI를 위해 특정이지만, DBS 응답의 뇌 영상은 성공적으로 돼지 6 등 다른 모델 생물, 실시하고있다. 아마도이 기술의 가장 명백한 응용 프로그램이 특정 신경 및 정신 장애, 즉 치료에 적용되는 DBS의 모델링입니다. 파킨슨 병 7-9. 파킨슨 병 환자에서 고주파 자극 subth 하나의보기alamic 핵 (STN) 또는 내부 글로 버스 창백 (GPI)는 많은 운동 증상 (10)의 완화에 효과적입니다. 모두 표준 모...

신경 회로의 활동의 글로벌 다운 스트림 효과를 결정하는 시스템 신경 과학의 여러 분야에 대한 주요 도전과 목표를 나타냅니다. 전통의 소수는이 요구를 충족 현재 사용할 수 있으며, 따라서 적절한 실험 셋업이 쉽게 사용이 요구되고있다. 신경 회로 활성화의 글로벌 결과를 평가하기위한 하나의 방법은 뇌 심부 전기 자극 (DBS)과 기능적 MRI (fMRI를)의 동시 응용 프로그램에 의존합니다. DBS-의 fMRI는 큰 공간적 스케일 회로 활성화에 하류 반응의 검출을 허용하고, 실질적으로 어떤 자극 타겟에 적용될 수있다. 이 도구 세트는 치료 고주파 자극에 대한 반응의 특성을 포함하여 번역 전임상 연구에 매우 적합하다. 적합한 MRI 스캐너에 접근 이외에, 성공적인 DBS-의 fMRI 실험 variabl의 수의 고려가 필요전극 형, 진정 방법 및 생체 변수의 유지 보수 등 에스. 예를 들어, 전극의 선택은 자극 효과 (예. 리드 크기 및 컨덕턴스, 모노 - 대 바이폴라)뿐만 아니라 MR 호환성 이슈 및 전극 크기와 관련된 요인에 근거한다. 전극 아티팩트는 전극 재료와 크기뿐만 아니라, 사용 된 스캔 순서에 의해서, 철저한 사전 실험 테스트는 각 연구에 적합한 전극 유형을 결정하기 위해 사용되어야한다. 일반적으로, 텅스텐 마이크로 와이어 전극은이 프로토콜에 대한 권장합니다. 중풍 및 진정제의 어워드 효과적으로 동물을 고정화하고 혈액 산소 수준 의존 (BOLD) 신호에서 특정 진정제의 억제 효과를 줄이기 위하여 만들어 져야한다. 마지막으로는 체온, 산소 포화도 등 최적의 생리 학적 파라미터에 동물을 유지하는 것이 중요하다. 우리는 DBS를 위해 개발 한 프로토콜-의 fMRI는 이러한 잠재적 인 많은 장애물을 극복하고, 우리의 손에, 강력하고 일관된 결과를 제공합니다. 또한,이 실험 절차는 용이 optogenetic 자극 포함한 대안 자극 방법의 fMRI와의 조합을 채용 할 수있다.

<table><tbody><tr><td>이소플루란(포레인)</td><td>Baxter</td><td>1001936060</td><td></td></tr><tr><td>Dexmedetomidine(Dexdomitor)</td><td>Pfizer</td><td>145108-58-3</td><td></td></tr><tr><td>Pancuronium Bromide</td><td>Selleckchem</td><td>S2497</td><td></td></tr><tr><td>9.4 T Small Animal MRI</td><td>Bruker</td><td></td><td>BioSpec System with BGA-9S gradient</td></tr><tr><td>Sterotactic Frame</td><td>Kopf</td><td></td><td>Model 962</td></tr><tr><td>Small 동물 인공 호흡기</td><td>CWE, Inc.</td><td>12-02100</td><td>모델 SAR-830</td></tr><tr><td>치과 시멘트</td><td>AM 시스템</td><td>525000</td><td>Teets 냉간 경화</td></tr><tr><td>MouseOx Plus 시스템</td><td>STARR Life Science Corp.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Capnometer</td><td>Surgivet, Smith Medical</td><td></td><td>V9004 시리즈</td></tr><tr><td>자극 절연체</td><td>세계 정밀 기기</td><td></td><td>모델 A365</td></tr><tr><td>MR 호환 황동 나사</td><td>McMaster Carr</td><td>94070A031</td><td>0-80 스레드 크기, 1/4 인치. 원하는 길이로 절단할 수 있습니다.</td></tr><tr><td>텅스텐 와이어</td><td>California Fine Wire Company</td><td>100211</td><td>MR 호환 자극 미세 전극</td></tr><tr><td>주사기 펌프</td>를 구성하는 데 사용됩니다 <td>Harvard Appartus</td><td></td><td>모델 PHD 2000 (MRI 호환 불가)</td></tr></tbody></table>

설치류에 동시 fmri를 깊은 뇌 자극

Deep Brain Stimulation with Simultaneous fMRI in Rodents

다양한 대상에 깊은 뇌 자극 (DBS)에 대한 글로벌 및 다운 스트림의 연결 반응을 시각화하기 위해, 우리는 혈액의 산소 수준의 종속 (BOLD) 기능성 자기 공명 영상 (fMRI) 동시 DBS와 이미지 설치류를 사용하기위한 프로토콜을 개발했습니다. DBS의 fMRI 전극 주입 정밀도를 포함하는 다수의 기술적 문제를, 선물, MR을 동시에 동물의 움직임, 그리고 생리 학적 매개 변수의 유지 보수를 제거하면서 모든 신경 세포의 영향을 최소화하기 위해 마취 및 마비의 전극, 선택에 의해 만들어진 유물, 편차가있는 혼동 할 수있는 BOLD 신호. 우리의 실험실이 가능한 대부분의 문제를 극복 할 수있는 일련의 절차를 개발했습니다. 전기 자극의 경우, 집에서 만든 텅스텐 바이폴라 미세 전극은 마취 제목에 자극이 사이트에서 정위 삽입, 사용됩니다. 영상을 준비, 설치류는 플라스틱 투구에 고정되어마그넷 보어로 전송. 스캔하는 동안 진정 작용과 마비를 들어, dexmedetomidine과 pancuronium의 칵테일은 지속적으로 이소 플루 란 최소한의 복용량과 함께 주입되고,이 혼합물은 휘발성 마취제의 BOLD 천장 효과를 최소화 할 수 있습니다. 이 예제 실험에서 시상 하부 핵 (STN)의 자극은 운동 피질을 중심으로, 동측 대뇌 피질의 지역에서 주로 관찰된다 BOLD 반응을 생산하고 있습니다. 동시 DBS와 fMRI를 자극 위치와 자극의 매개 변수에 대한 신경 회로의 명확한 변조 따라 허용하고, 지역 편견의 연결 변조의 관찰을 허용합니다. 이 기술은 실험과 임상 모두 DBS에 대한 의미와 함께, 거의 모든 뇌 영역에서 신경 회로를 변조의 하류 효과를 탐구하는 데 사용할 수 있습니다.

주제 기능적 데이터는 우측의 시상 하부 핵 이식 자극 전극과 하나의 쥐에서 상기 프로토콜에 따라 취득 하였다. DBS의 fMRI 영상 획득을위한 필수 설정의 그림은 그림 1에 제공된다. 자극은 0.3 mA, 130 Hz에서 0.09 밀리의 펄스 폭의 주파수의 진폭과, 상기 프로토콜과 일치 도포 하였다. 동측 운동 피질의 강력한 활성화를 지속적으로 자극을 대상으로 시상 하부 핵으로이 프로토콜을 사용하여 시각되었습니다. 구형파 자극 패턴, BOLD 신호는 자극 기간에 상관 타임 코스와 기준선 (노 자극 조건)에 대해 변조 될 것으로 예상된다. 여기에 긍정적 인 BOLD 응답은 계정에 복용, 예상되는 뇌 영역 (그림 2)와 자극의 패러다임에 잘 상관 관계를 ON / OFF 패턴이 관찰된다<html> 간단한 혈역학 지연 (그림 3). 지도 (그림 2)에서, 오버레이 신경 해부학 아틀라스 1 개별...

이 프로토콜은 설치류에서 동시에 기능성 자기 공명 영상과 깊은 두뇌 자극을위한 표준 방법을 설명합니다. 이러한 실험 도구를 함께 사용은 거의 모든 뇌 대상에 전기 자극에 대한 응답으로 글로벌 다운 스트림 활동의 탐사 할 수 있습니다.

설치류에 동시 fMRI를 깊은 뇌 자극

In order to visualize the global and downstream neuronal responses to deep brain stimulation (DBS) at various targets, we have developed a protocol for ...

안녕하세요, 저는 John Ya입니다. 그리고 저는 Dan Alba입니다. 오늘은 쥐를 대상으로 한 기능적 MRI 촬영과 심부 뇌 자극의 동시 수행 방법을 시연하겠습니다.이 기술을 사용하여 다양한 표적에 대한 심부 뇌 자극에 따른 뇌 전반의 기능적 반응을 매핑할 수 있습니다. 이 절차에는 정위 전극 삽입, fMRI 획득, 기능적 반응 분석이 포함됩니다. 첫 번째 단계는 전극 삽입입니다.전극을 시상하핵에 편측으로 삽입하겠습니다. 먼저 동물을 완전히 마취시키고, 시술 전 과정 동안 산소 포화도와 체온을 포함한 생리학적 파라미터를 모니터링하며 시작합니다. 털을 제거하여 수술 부위 준비를 시작하고 동물을 정위 고정 틀에 고정합니다.시술 중 동물의 눈에 연고를 사용하여 윤활 처리를 합니다. 해당 부위에 소독제를 도포하고 멸균된 구역에 드레이프를 덮습니다. 이것으로 수술 부위의 준비를 마칩니다.두개골을 덮고 있는 피부와 근막을 제거하여 브레그마(bregma)와 람다(lambda)가 드러나게 합니다. 메스를 사용하여 두개골 표면을 거칠게 만들어 이후 과정에서 시멘트의 부착력을 높입니다. 그리고 멸균 면봉과 전기소작기를 사용하여 골 표면 및 절개된 조직의 지혈을 수행합니다.정위 고정 장치 암(stereotactic arm)에 부착된 바늘을 사용하여 bgma의 정확한 위치를 터치해 두개골 절제술 위치의 기준점으로 삼고, 시상하핵(subthalamic nucleus)을 위한 위치를 바늘로 두개골에 표시합니다. 이 위치는 bregma에서 후방으로 3.6 millimeters, 정중선에서 외측으로 2.5 millimeters 지점이 됩니다. 소형 비트 드릴을 사용하여 두개골에 작은 구멍을 뚫고, 구멍의 가장자리를 세척하고 탐색합니다.가는 게이지의 바늘을 사용하여 경막 표면을 충분히 자극하고, 추가적인 출혈이나 뇌척수액 누출을 닦아냅니다. 이제 고정을 위해 MRI 호환 나사를 두개골에 배치하겠습니다. 향후 전극이 위치할 지점의 반대측 후방 두개골에 구멍을 뚫습니다.나사가 단단히 고정될 만큼 충분히 깊게 삽입하되, 경막이나 피질을 압박하지 않도록 합니다. 자극을 위해 MRI 호환이 가능한 자체 제작 2채널 텅스텐 미세 전극을 사용합니다. 전극이 직선인지, 리드가 갈라지지 않았는지 확인하십시오. 전극을 정위 고정 장치 암에 수직 방향으로 배치하고 팁을 bgma에 접촉시킵니다.측정용 정위 고정 장치를 사용하여 전극을 목표 뇌 영역의 위치로 이동시켜 피질 표면에 닿게 합니다. 측정용 정위 고정 장치를 사용하여 전극을 내립니다. 이때 전극이 구부러지지 않았는지 확인하십시오.이 과정 동안 먼저 시멘트의 첫 번째 층을 도포하여 두개골 표면이 건조한 상태가 되도록 합니다. 첫 번째 층이 마르면 전극을 후방으로 구부린 다음, 안정성을 높이기 위해 시멘트를 추가로 도포합니다. 동물을 제거하기 전에 시멘트가 완전히 마를 때까지 기다립니다.이제 동물을 소생시키거나 즉시 기능적 MRI 스캐닝을 위한 준비를 할 수 있습니다. 두 번째 단계는 fMRI를 위한 동물 준비 및 fMRI 획득입니다. 이 과정은 수술 직후 또는 수일 후에 수행할 수 있습니다.코일에 대해 동물의 머리를 완전히 고정하기 위해 헤드피스를 사용해야 합니다. 동물은 기관 내 삽관을 통해 인공 호흡을 실시해야 합니다. 다양한 마취제를 사용할 수 있습니다.우리는 dme, toine 및 저용량 isof를 조합하여 사용합니다. Fluorine 마비는 환기 튜브와 기관 내 튜브의 접합부 근처에서 pantonium acquire cap geometry를 사용하여 수행해야 합니다. 환기기 설정을 조정하여 end TAL CO2를 안정화하십시오.일반적으로 3% 근처의 정상 범위에서, 꼬리 기저부에 고정된 직장 탐침을 사용하여 온도를 모니터링해야 합니다. 체온을 정상 범위 내에서 안정시키기 위해 순환식 항온수조를 조절해야 합니다. 또한 뒷발 부위에서 펄스 옥시미트리(맥박 산소 포화도 측정)를 수행할 수 있으며, 이미지 품질을 높이기 위해 스캔할 부위에 치약을 도포하십시오.스캔할 뇌 영역 바로 위에 표면 코일을 배치합니다. 코일을 헤드피스와 홀더에 단단히 고정합니다. 자극 시스템을 전극 커넥터에 연결하고 리드를 제자리에 고정합니다.냉각된 자석 환경에서 단열 효과를 높이기 위해 동물을 덮어줍니다. 이제 동물을 자석의 중심으로 삽입할 차례입니다. 스캐너 내에서 동물의 전체적인 위치를 정밀하게 잡기 위해 3평면 S 스카우트 영상을 사용하십시오.자기장의 균질성을 높이기 위해 피질 표면을 기준으로 심(shim)을 조절합니다. 그런 다음 FMAP을 사용하여 기능적 스캔에 사용할 뇌 영역에서 국소적으로 심을 조절합니다. 정중 시상면(mid sagittal plane)에서 단일 T2 강조 슬라이스 영상을 획득합니다.단일 샷 그래디언트 에코 EPI 스캔을 생성합니다. 매트릭스 크기는 96 by 96, 시야각(field of view)은 2.56 by 2.56 centimeters로 설정합니다. 반복 시간(repetition time)은 1000 milliseconds, 에코 시간(echo time)은 14 milliseconds, 슬라이스 두께는 1 millimeter로 설정하며, 4회의 더미 스캔(dummy scan) 후 70회 반복합니다.이 파라미터를 사용한 각 스캔은 1초 동안 지속되어야 합니다. 총 스캔 시간 70초를 위해, 피험자 간의 기하학적 일관성을 유지하도록 이 EPI 스캔을 이전 T2 시상면 이미지의 전교차(anterior commissure)에 맞춥니다. 자극 주파수, 펄스 폭 및 자극 패러다임을 설정하고, 자극 트리거를 스캔 시퀀스의 RF 출력과 동기화합니다. 여기서는 130 Hz의 주파수, 90 µs의 펄스 폭을 사용하며, 자극 패러다임은 60초의 휴식 후 30초의 자극, 그리고 마지막으로 120초의 휴식 순으로 구성합니다.그 다음, 원하는 전류 진폭과 양극성 전류 출력 실행을 포함하여 자극 전류 유형을 설정합니다. EPI 스캔을 통해 획득 후 자극이 적절하게 트리거되는지 확인하고, 다음 섹션에서 설명하는 데이터 분석 도구를 사용하여 견고한 반응이 나타나는지 확인합니다. 만약 반응이 나타나지 않으면, 자극기 연결 상태를 점검하십시오.모든 스캔이 완료된 후, 대략적인 전극 위치를 측정하고 전극이 의도한 표적 내에 위치했는지 확인하기 위해 해부학적 스캔을 수행해야 합니다. 그 후, 쥐를 소생시켜 추가 실험을 위해 보존할 수 있습니다. 마지막으로, 필요한 모든 실험이 완료되면 뇌를 포르말린으로 관류하여 동물을 안락사시킬 수 있습니다.전극 경로를 제거한 후, 전극 경로와 주변 구조물 간의 관계를 확인하기 위해 고해상도 T2 강조 영상 스캔을 두 차례 수행할 수 있습니다. 이 사례의 경우, 전극 경로가 내포막 바로 복측의 시상하핵에서 끝나므로 이식 정확도가 확인됩니다. 다음으로, 기능적 스캔 결과를 처리하고 분석하겠습니다.이를 위해 MATLAB 내에서 실행되는 맞춤형 프로그램을 사용하겠으나, fMRI 분석을 위한 다른 소프트웨어 패키지도 MATLAB에서 유사한 방식으로 사용할 수 있습니다. SPM 코드를 사용하여 모든 자극 시행에 대해 강체 변환(rigid body)을 적용하십시오. 그다음 스캔의 시계열을 보존하면서 이미지의 평균 세그먼트를 생성하고, 컷오프 임계값(cutoff threshold)을 적용한 후 수동으로 스컬 스트리핑(skull stripping)을 수행하십시오.이제 관심 뇌 영역에 대한 상관계수 맵을 생성하겠습니다. 최소 클러스터 크기 또는 3x3 저역 통과 평활화(low pass smoothing)를 사용하여 노이즈 감소를 수행할 수 있습니다. 자극 패러다임을 입력해야 하며, 혈류역학적 지연을 고려하여 짧은 패러다임 지연 시간을 설정할 수 있습니다.각 복셀에 대하여, 자극 패러다임에 따른 시간 경과별 신호 강도 변화의 상관 계수를 계산할 수 있습니다. 이를 각 슬라이스에 매핑하여 볼 반응이 실험 프로토콜과 강하게 상관되는 신경 해부학적 영역을 식별할 수 있습니다. 관심 영역(ROI)은 수동으로 정의하거나 다각형을 사용하여 근사치로 지정할 수 있습니다.이후 자극 전 신호를 기저선으로 사용하여 해당 관심 영역 내의 퍼센트 신호 변화를 결정할 수 있습니다. 이렇게 얻은 값들은 통계 분석을 위해 내보낼 수 있습니다. 본 실험에서는 시상하핵에 딥 브레인 스티뮬레이션을 수행하였으며, 상관계수 맵에 나타난 반응은 해당 핵에서 떨어진 뇌 영역들에서 관찰되었습니다.여기 가장 후방 슬라이스에서 자극 위치보다 앞쪽에 위치한 양성, 굵은, 그리고 피질 영역이 보입니다. 샘플 피질 관심 영역에 대해 시간에 따른 BOLD 신호 강도의 변화를 계산하면 자극 전극으로 인한 아티팩트가 나타납니다. 그 결과는 화면에 표시되며, 자극 패러다임은 여기에서 노란색 막대로 표시됩니다.이는 대담한 반응을 정량화하는 데 사용될 수 있으며, 추가 분석을 위해 저희는 방금 설치류 모델에서 동시 기능적 MRI를 이용한 심부 뇌 자극을 시연하였습니다. 시청해 주셔서 감사드리며, 귀하의 실험에 좋은 결과가 있기를 바랍니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

우리는 신경 활동과 혈액 산소 수준의 종속 (굵게) MRI 신호 사이의 관계의 조사를 위해 플랫폼을 제공하고 동시에 기능성 자기 공명 이미징 및 쥐 두뇌에 electrophysiological 기록하는 방법을 개발했습니다.

쥐 두뇌에 동시 fMRI와 전기 생리학

출처: Casquero-Veiga, M. et al. 쥐의 심부 뇌 자극에 의해 유도된 활동 패턴을 밝히기 위한 생체 내 양전자 방출 단층 촬영. J. Vis. 경험. (2022).이 비디오는 쥐 모델에서 FDG-PET 이미징을 사용하여 심부 뇌 자극(DBS)의 대사 효과를 보여줍니다. 대사 활동이 증가하거나 억제된 뇌 영역을 매핑하기 위해 FDG 투여, DBS 적용 및 PET/CT 이미징과 관련된 단계를 간략하게 설명합니다.

In Vivo FDG-PET를 사용하여 쥐의 급성 심부 뇌 자극에 의해 유도된 대사 신경조절 평가

출처: Batra, V., et al. 정맥 메스암페타민 자가 투여에 대한 심부 뇌 자극 효과를 평가하는 일반적인 방법. J. Vis. 경험. (2016).이 비디오는 동물이 레버를 눌러 정맥 메스암페타민을 자가 투여하여 측좌핵에서 도파민 방출에 의해 유발되는 강박적인 약물 추구 행동으로 이어지는 약물 중독의 쥐 모델을 보여줍니다. 이에 대응하기 위해 쥐는 이식된 양극성 전극을 통해 심부 뇌 자극(DBS)을 받아 측좌핵의 과잉 활동 뉴런을 억제하기 위해 고주파 펄스를 전달합니다. 그런 다음 약물 추구 행동의 변화를 관찰하여 DBS의 효과를 평가하여 중독 관련 반응을 줄일 수 있는 잠재력을 밝힙니다.

쥐 모델에서 약물 중독 치료로서의 심부 뇌 자극

출처: Selvakumar, T., et al., 전시상핵의 심부 뇌 자극 후 쥐 해마의 유전자 발현 변화 분석. J. vis. 경험. (2015년)이 비디오는 쥐의 뇌에 전극을 이식하여 신경 활동을 조절하고 해마와의 의사소통을 강화하여 신경 생존 및 신경 발생을 지원하는 심부 뇌 자극(DBS)을 적용하는 절차를 보여줍니다.

쥐 모델에서 해마 신경 활동에 대한 심부 뇌 자극의 효과

뇌심부자극술(DBS) 수술의 치료 효과의 기저에 있는 메커니즘에 대한 조사가 필요합니다. 본 원고에 제시된 방법은 DBS 수술 후 신경발생을 촉진할 수 있는 후보 유전자의 유전자 발현 프로파일을 분석하여 DBS에 의해 유발되는 세포 이벤트를 조사하는 실험적 접근 방식을 설명합니다.

전방 시상 핵의 깊은 뇌 자극 후 쥐 해마의 유전자 발현 변화 분석

쥐의 시상하핵(STN)에 전극을 이식하는 방법을 설명합니다. STN의 더 나은 위치 파악은 마이크로 기록 시스템을 사용하여 달성되었습니다. 또한, 동물의 머리와 자극기 사이의 오래 지속되는 연결을 특징으로 하는 자극 설정이 제공됩니다.

미세 전극은 장기 깊은 뇌 자극 쥐의 Subthalamic 핵에 전극의 주입을 가이드

이 기사는 IV 메스암페타민 의존성 치료를 위해 약물 사용 환경과 시간적, 공간적으로 분리된 두개내 전기 자극의 전달에 대해 설명합니다.

정맥 필로폰 자기 관리에 깊은 뇌 자극의 효과를 평가하기위한 일반적인 방법

이 프로토콜 영구 epicranial 전극 소켓 설치류에 이식된 가슴 전극에 대 한 수술 설정을 설명합니다. 두 번째 전극 소켓에 두어서 transcranial 전기 두뇌 자극의 종류 그대로 두개골을 통해 경고 동물에서 모터 시스템에 전달할 수 있습니다.

경고 설치류에 Transcranial 전기 두뇌 자극

이 프로토콜은 기능성 초음파 (fUS)를 사용하여 마우스 뇌의 체적 뇌 혈역학 적 변이의 정량화를 설명합니다. 감각 자극에 따른 3D 기능 활성화 맵및 휴식 상태 기능적 연결에 대한 절차는 마취 및 깨어 있는 마우스에서 예시적인 예로 제공됩니다.

경두개 기능 적 초음파 이미징을 사용하여 마우스의 전신 뇌 3D 활성화 및 기능 적 연결 매핑

본 프로토콜은 저용량 디졸루란을 사용하여 낮은 용량의 이소플루란을 사용하여 쥐로부터 안정적인 휴식 상태 기능성 자기 공명 영상(rs-fMRI) 데이터를 낮은 용량 덱스메데토미딘과 결합하여 얻는 방법을 설명합니다.

쥐에서 휴식 상태 기능 자기 공명 이미징 데이터 획득

우리는 생체 내 FDG-PET를 이용한 급성 심부 뇌 자극에 의해 유도 된 대사 신경 조절을 평가하는 전임상 실험 방법을 설명합니다. 이 원고에는 정위 수술에서 자극 치료의 적용, PET 이미지의 획득, 처리 및 분석에 이르기까지 모든 실험 단계가 포함되어 있습니다.

생체 내 쥐의 심부 뇌 자극에 의해 유도 된 활동 패턴을 밝히기위한 양전자 방출 단층 촬영

학습하세요 설치류에서 동시 fMRI와 심부 뇌 자극을 결합한 신경영상 기법을 통해 뇌 활동을 실시간으로 매핑하는 방법을. 이 프로토콜은 전극 삽입, 영상 획득, 기능적 반응 분석을 포함합니다.

설치류에 동시 fMRI를 깊은 뇌 자극

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