ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית תפקודית-7 T בקליפת חבית חולדה במהלך ההפעלה שפם
Summary
לאחר בדיקת על-ידי דם חמצן-רמת-תלויי-פונקציונלי דימות תהודה מגנטית (fMRI מודגש) זה האזור המקביל של קליפת שדה חבית המגע (נקרא S1BF) כראוי מופעל, הראשי מטרתו של מחקר זה היא לכמת לקטט תוכן תנודות המוח עכברוש מופעל על ידי פרוטון מקומי תהודה מגנטית ספקטרוסקופיה (1H-גברת) ב ט 7
Abstract
תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ספקטרוסקופיה מציעה את ההזדמנות כדי למדוד מטבוליט מוחי תוכן ויוו , noninvasively. בזכות פיתוחים טכנולוגיים בעשור האחרון, הגדלת עוצמת השדה המגנטי, עכשיו זה אפשרי להשיג רזולוציה טובה ספקטרה ויוו במוח חולדה. Neuroenergetics (קרי, חקר המוח חילוף החומרים), במיוחד, מטבולית אינטראקציות בין סוגי תאים שונים משכו עניין יותר ויותר בשנים האחרונות. בין אלה אינטראקציות מטבולית, קיומו של שירות הסעות לקטט בין הנוירונים האסטרוציטים עדיין לדיון זה. זה, לפיכך, עניין רב לביצוע ספקטרוסקופיה תהודה מגנטית תפקודית פרוטון (1H-גברת) במודל של עכברים של המוח הפעלה ולפקח לקטט. עם זאת, הפסגה לקטט מתיל חופף השומנים תהודה פסגות, קשה לכמת. הפרוטוקול המתואר להלן מאפשרת חילוף החומרים, לקטט תנודות כדי להיות במעקב באזור המוח מופעל. הפעלה מוחית מתקבל על ידי גירוי משערה ומתבצעת 1H-גברת בקליפת חבית מופעל המתאימים, שבאזור מזוהה באמצעות הדמיית תהודה מגנטית תפקודית דם חמצן-רמת-תלויי-(מודגש fMRI). כל השלבים מתוארים באופן מלא: הבחירה של חומרי הרדמה, סלילי, רצפים, להשגת גירוי יעיל משערה ישירות במגנט ולאחר עיבוד הנתונים.
Introduction
המוח בעל מנגנונים פנימיים המאפשרים ויסות המצע העיקרי שלה (כלומר, גלוקוז), על התרומה שלו וסילוק שלה, בהתאם וריאציות של פעילות מוחית מקומית. אמנם המצע האנרגיה העיקרי למוח גלוקוז, ניסויים שבוצעו בשנים האחרונות הראו לקטט זה, אשר מופק על ידי האסטרוציטים, יכול להיות המצע אנרגיה יעיל לתאי העצב. זה מעלה את ההשערה של לקטט מעבורת בין האסטרוציטים ו נוירונים1. המכונה ANLS, הסעות לקטט אסטרוציט-נוירון2, התיאוריה לדיון זה עדיין מאוד אבל הוביל ההצעה הסוכרים, ולא הולך ישירות לתוך הנוירונים, רשאים להיכנס האסטרוציטים, איפה זה עובר מטבוליזם לתוך לקטט, מטבוליט זה , הועבר לאחר מכן, הנוירונים, אשר משתמשים בו כמו אנרגיה יעיל המצע. אם כזה שירות הסעות קיים ויוו, הייתי מספר השלכות חשובות, על ההבנה של טכניקות בסיסיות הדמיה תפקודית מוחית (פליטת פוזיטרונים טומוגרפיה [מחמד]) והן עבור פענוח שינויים מטבוליים נצפתה בפתולוגיות במוח.
ללמוד חילוף החומרים במוח, במיוחד, זמינות מטבולית אינטראקציות בין הנוירונים האסטרוציטים, ארבע טכניקות הראשי (לא כולל מיקרו-/ nanosensors): autoradiography, PET, מיקרוסקופיה קונפוקלית פלורסנט שני הפוטונים, גברת. Autoradiography היה באחת השיטות הראשונה המוצעת ומספק תמונות של הצטברות רדיואקטיבי 14C-2-deoxyglucose פרוסות המוח, בזמן חיית המחמד התשואות ויוו תמונות של תפיסה אזורית רדיואקטיבי 18 אזוריים F-deoxyglucose. יש להם שני החיסרון של באמצעות מולקולות irradiative תוך הפקת תמונות ברזולוציה נמוכה-מרחבית. מיקרוסקופ שני הפוטונים מספק הסלולר ברזולוציה של הגששים פלורסנט, אך פיזור אור על ידי רקמת מגביל עומק הדמיה. שלוש טכניקות אלה שימשו בעבר ללמוד neuroenergetics בחולדות במהלך משערה גירוי3,4,5,6. אין ויוו גברת יש יתרון כפול של להיות לא פולשנית, nonradioactive, ניתן לסייר כל מבנה המוח. יתר על כן, גברת יכול להתבצע במהלך ההפעלה עצביים, טכניקה שנקראת גב’ פונקציונלי (fMRS), אשר פותחה לאחרונה ב מכרסמים7. לפיכך, מוצע פרוטוקול כדי לפקח על חילוף החומרים במוח במהלך פעילות מוחית על ידי 1H-גברת ויוו , noninvasively. ההליך המתואר עכברים בריאים למבוגרים עם הפעלה מוחית מתקבל על ידי גירוי משערה אוויר-פאף מבוצע ישירות imager תהודה מגנטית (MR) 7 T, אבל עשוי להיות מותאם בבעלי חיים מהונדסים, כמו גם בכל מצב פתולוגי .
Protocol
Representative Results
Discussion
קליפת חבית, הנקרא גם S1BF של קליפת המגע או חבית השדה, הוא אזור בתוך שכבת קורטיקלית הרביעי זה יכול להיות שנצפו באמצעות ציטוכרום c אוקסידאז מכתים9, הארגון שלו היא ידועה מאז זה מתואר בעיקר 10,11. Vibrissa אחד מחובר חבית אחת, שבו נוירונים בסביבות 19,000 מאורגנים …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המענק שובל LabEx, ההתייחסות ANR-10-LABX-57, הצרפתי-שוויצרי ANR-FNS להעניק הפניה ANR-15-CE37-0012. המחברים מודים Aurélien Trotier על התמיכה הטכנית שלו.
Materials
| 0.5 mL syringe with needle | Becton, Dickinson and Company, USA | 2020-10 | 0.33 mm (29 G) x 12.7 mm |
| 1H spectroscopy surface coil | Bruker, Ettlingen, Germany | T116344 | |
| 7T Bruker Biospec system | Bruker, Ettlingen, Germany | 70/20 USR | |
| Arduino Uno based pulsing device | custom made | ||
| Atipamezole | Vétoquinol, S.A., France | V8335602 | Antisedan, 4.28 mg |
| Breathing mask | custom made | ||
| Eye ointment | TVM laboratoire, France | 40365 | Ocry gel 10 g |
| Induction chamber | custom made | 30x17x15 cm | |
| Inlet flexible pipe | Gardena, Germany | 1348-20 | 4.6-mm diameter, 3m long |
| Isoflurane pump, Model 100 series vaporizer, classic T3 | Surgivet, Harvard Apparatus | WWV90TT | from OH 43017, U.S.A |
| Isoflurane, liquid for inhalation | Vertflurane, Virbac, France | QN01AB06 | 1000 mg/mL |
| KD Scientific syringe pump | KD sientific, Holliston, USA | Legato 110 | |
| LCModel software | LCModel Inc., Ontario, Canada | 6.2 | |
| Medetomidine hydrochloride | Vétoquinol, S.A., France | QN05CM91 | Domitor, 1 mg/mL |
| Micropore roll of adhesive plaster | 3M micropore, Minnesota, United States | MI912 | |
| Micropore roll of adhesive plaster | 3M micropore, Minnesota, United States | MI925 | |
| Monitoring system of physiologic parameter | SA Instruments, Inc, Stony Brook, NY, USA | Model 1025 | |
| NaCl | Fresenius Kabi, Germany | B05XA03 | 0.9 % 250 mL |
| Outlet flexible pipe | Gardena, Germany | 1348-20 | 4.6-mm diameter, 4m long |
| Paravision software | Bruker, Ettlingen, Germany | 6.0.1 | |
| Peripheral intravenous catheter | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | SP500930S | 22 G x 1", 0.85×25 mm, 35 mL/min |
| Rat head coil | Bruker, Ettlingen, Germany | ||
| Sodic heparin, injectable solution | Choai, Sanofi, Paris, France | B01AB01 | 5000 IU/mL |
| Solenoid control valves, plunger valve 2/2 way direct-acting | Burkert, Germany | 3099939 | Model type 6013 |
| Terumo 2 ml syringe | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | SY243 | with 21 g x 5/8" needle |
| Terumo 5 mL syringe | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | 05SE1 | |
| Wistar RJ-Han rats | Janvier Laboratories, France |
Referencias
- Pellerin, L., et al. Activity-dependent regulation of energy metabolism by astrocytes: an update. Glia. 55, 1251-1262 (2007).
- Pellerin, L., Magistretti, P. J. Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycolysis: a mechanism coupling neuronal activity to glucose utilization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91, 10625-10629 (1994).
- Cholet, N., et al. Local injection of antisense oligonucleotides targeted to the glial glutamate transporter GLAST decreases the metabolic response to somatosensory activation. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 21, 404-412 (2001).
- Voutsinos-Porche, B., et al. Glial Glutamate Transporters Mediate a Functional Metabolic Crosstalk between Neurons and Astrocytes in the Mouse Developing Cortex. Neuron. 37, 275-286 (2003).
- Zimmer, E. R., et al. [18F]FDG PET signal is driven by astroglial glutamate transport. Nature Neuroscience. 20 (3), 393-395 (2017).
- Haiss, F., et al. Improved in vivo two-photon imaging after blood replacement by perfluorocarbon. The Journal of Physiology. , (2009).
- Mullins, P. G. Towards a theory of functional magnetic resonance spectroscopy (fMRS): A meta-analysis and discussion of using MRS to measure changes in neurotransmitters in real time. Scandinvian Journal of Psychology. 59, 91-103 (2018).
- Wong-Riley, M. T., Welt, C. Histochemical changes in cytochrome oxidase of cortical barrels after vibrissal removal in neonatal and adult mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 77, 2333-2337 (1980).
- Petersen, C. C. The functional organization of the barrel cortex. Neuron. 56, 339-355 (2007).
- Cox, S. B., Woolsey, T. A., Rovainen, C. M. Localized dynamic changes in cortical blood flow with whisker stimulation corresponds to matched vascular and neuronal architecture of rat barrels. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 13, 899-913 (1993).
- Feldmeyer, D. Excitatory neuronal connectivity in the barrel cortex. Frontiers in Neuroanatomy. 6, 24 (2012).
- Boussida, S., Traore, A. S., Durif, F. Mapping of the brain hemodynamic responses to sensorimotor stimulation in a rodent model: A BOLD fMRI study. PLoS One. 12, e0176512 (2017).
- Heinke, W., Koelsch, S. The effects of anesthetics on brain activity and cognitive function. Current Opinion in Anesthesiology. 18, 625-631 (2005).
- Horn, T., Klein, J. Lactate levels in the brain are elevated upon exposure to volatile anesthetics: a microdialysis study. Neurochemistry International. 57, 940-947 (2010).
- Boretius, S., et al. Halogenated volatile anesthetics alter brain metabolism as revealed by proton magnetic resonance spectroscopy of mice in vivo. Neuroimage. 69, 244-255 (2013).
- Sinclair, M. D. A review of the physiological effects of alpha2-agonists related to the clinical use of medetomidine in small animal practice. Canadian Veterinary Journal. 44, 885-897 (2003).
- Weber, R., et al. A fully noninvasive and robust experimental protocol for longitudinal fMRI studies in the rat. Neuroimage. 29, 1303-1310 (2006).
- Hartmann, M. J., Johnson, N. J., Towal, R. B., Assad, C. Mechanical characteristics of rat vibrissae: resonant frequencies and damping in isolated whiskers and in the awake behaving animal. The Journal of Neuroscience. 23, 6510-6519 (2003).
- Prichard, J., et al. Lactate rise detected by 1H NMR in human visual cortex during physiologic stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 88, 5829-5831 (1991).
- Sappey-Marinier, D., et al. Effect of photic stimulation on human visual cortex lactate and phosphates using 1H and 31P magnetic resonance spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 12, 584-592 (1992).
- Mazuel, L., et al. A neuronal MCT2 knockdown in the rat somatosensory cortex reduces both the NMR lactate signal and the BOLD response during whisker stimulation. PLoS One. 12, e0174990 (2017).
- Castellano, G., et al. NAA and NAAG variation in neuronal activation during visual stimulation. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 45, 1031-1036 (2012).
- Sarchielli, P., et al. Functional 1H-MRS findings in migraine patients with and without aura assessed interictally. Neuroimage. 24, 1025-1031 (2005).
- Baslow, M. H., Hrabe, J., Guilfoyle, D. N. Dynamic relationship between neurostimulation and N-acetylaspartate metabolism in the human visual cortex: evidence that NAA functions as a molecular water pump during visual stimulation. Journal of Molecular Neuroscience. 32, 235-245 (2007).
- Mangia, S., Tkac, I. Dynamic relationship between neurostimulation and N-acetylaspartate metabolism in the human visual cortex: evidence that NAA functions as a molecular water pump during visual stimulation. Journal of Molecular Neuroscience. 35, 245-248 (2008).
- Baslow, M. H., Hrabal, R., Guilfoyle, D. N. Response of the authors to the Letter by Silvia Mangia and Ivan Tkac. Journal of Molecular Neuroscience. 35, 247-248 (2008).
- Barros, L. F., Weber, B. CrossTalk proposal: an important astrocyte-to-neuron lactate shuttle couples neuronal activity to glucose utilisation in the brain. The Journal of Physiology. 596, 347-350 (2018).
- Bak, L. K., Walls, A. B. CrossTalk opposing view: lack of evidence supporting an astrocyte-to-neuron lactate shuttle coupling neuronal activity to glucose utilisation in the brain. The Journal of Physiology. 596, 351-353 (2018).
