In vivo Позитронно-эмиссионная томография для выявления паттернов активности, вызванных глубокой стимуляцией мозга у крыс
Summary
Описан доклинический экспериментальный метод оценки метаболической нейромодуляции, индуцированной острой глубокой стимуляцией мозга in vivo FDG-PET. Эта рукопись включает в себя все экспериментальные этапы, от стереотаксической хирургии до применения стимулирующего лечения и получения, обработки и анализа ИЗОБРАЖЕНИЙ ПЭТ.
Abstract
Глубокая стимуляция мозга (DBS) является инвазивной нейрохирургической техникой, основанной на применении электрических импульсов к структурам мозга, участвующим в патофизиологии пациента. Несмотря на долгую историю DBS, ее механизм действия и соответствующие протоколы остаются неясными, подчеркивая необходимость исследований, направленных на решение этих проблем. В этом смысле оценка эффектов DBS in vivo с использованием методов функциональной визуализации представляет собой мощную стратегию для определения влияния стимуляции на динамику мозга. Здесь описан экспериментальный протокол доклинических моделей (крысы Wistar) в сочетании с продольным исследованием [18F]-фтордезоксиклюкозы позитронно-эмиссионной томографии (FDG-PET) для оценки острых последствий DBS на метаболизм мозга. Сначала животные подверглись стереотаксической операции по двусторонней имплантации электродов в префронтальную кору. Послеоперационная компьютерная томография (КТ) каждого животного была приобретена для проверки размещения электродов. После одной недели выздоровления был приобретен первый статический FDG-PET каждого оперированного животного без стимуляции (D1), а через два дня (D2) был приобретен второй FDG-PET, в то время как животные были стимулированы. Для этого электроды были подключены к изолированному стимулятору после введения FDG животным. Таким образом, животных стимулировали в течение периода поглощения FDG (45 мин), регистрируя острые эффекты DBS на метаболизм мозга. Учитывая исследовательский характер этого исследования, изображения FDG-PET были проанализированы с помощью воксельного подхода, основанного на парном Т-тесте между исследованиями D1 и D2. В целом, сочетание DBS и исследований визуализации позволяет описать последствия нейромодуляции на нейронных сетях, что в конечном итоге помогает разгадать головоломки, окружающие DBS.
Introduction
Термин нейростимуляция охватывает ряд различных методов, направленных на стимуляцию нервной системы с терапевтической целью1. Среди них глубокая стимуляция мозга (DBS) выделяется как одна из самых распространенных стратегий нейростимуляции в клинической практике. DBS состоит из стимуляции глубоких ядер мозга электрическими импульсами, доставляемыми нейростимулятором, имплантированным непосредственно в тело пациента, через электроды, помещенные в мишень мозга для модуляции стереотаксической хирургией. Количество статей, оценивающих целесообразность применения DBS при различных неврологических и психических расстройствах, постоянно растет2, хотя только некоторые из них были одобрены Ассоциацией пищевых продуктов и лекарств (FDA) (например, эссенциальный тремор, болезнь Паркинсона, дистония, обсессивно-компульсивное расстройство и рефрактерная эпилепсия с медицинской точки зрения)3 . Кроме того, большое количество мишеней мозга и протоколов стимуляции находятся в стадии исследования для лечения DBS гораздо большего количества патологий, чем официально одобрено, но ни один из них не считается окончательным. Эти несоответствия в исследованиях DBS и клинических процедурах могут быть частично связаны с отсутствием полного понимания ее механизма действия4. Поэтому прилагаются огромные усилия для расшифровки влияния DBS in vivo на динамику мозга, поскольку каждый прогресс, каким бы маленьким он ни был, поможет усовершенствовать протоколы DBS для большего терапевтического успеха.
В этом контексте методы молекулярной визуализации открывают прямое окно для наблюдения in vivo нейромодулирующих эффектов DBS. Эти подходы дают возможность не только определить влияние DBS во время его применения, но и разгадать характер его последствий, предотвратить нежелательные побочные эффекты и клиническое улучшение и даже адаптировать параметры стимуляции к потребностям пациента5. Среди этих методов позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) с использованием 2-дезокси-2-[18F]фтор-D-глюкозы (ФДГ) представляет особый интерес, поскольку она предоставляет конкретную информацию в режиме реального времени о состоянии активации различных областей мозга6. В частности, визуализация FDG-PET обеспечивает косвенную оценку нейронной активации на основе физиологического принципа метаболической связи между нейронами и глиальными клетками6. В этом смысле в нескольких клинических исследованиях сообщалось о паттернах активности мозга, модулированных DBS с использованием FDG-PET (см.3 для обзора). Тем не менее, клинические исследования легко несут несколько недостатков, когда фокусируются на пациентах, таких как гетерогенность или трудности с набором персонала, которые сильно ограничивают их исследовательский потенциал6. Этот контекст заставляет исследователей использовать животные модели человеческих состояний для оценки биомедицинских подходов до их клинического перевода или, если они уже применяются в клинической практике, для объяснения физиологического происхождения терапевтических преимуществ или побочных эффектов. Таким образом, несмотря на большие расстояния между патологией человека и смоделированным состоянием у лабораторных животных, эти доклинические подходы необходимы для безопасного и эффективного перехода в клиническую практику.
В этой рукописи описывается экспериментальный протокол DBS для мышиных моделей в сочетании с продольным исследованием FDG-PET с целью оценки острых последствий DBS для метаболизма мозга. Результаты, полученные с помощью этого протокола, могут помочь разгадать сложные модулирующие паттерны, индуцированные на активность мозга DBS. Поэтому предоставляется подходящая экспериментальная стратегия для изучения in vivo последствий стимуляции, позволяющая клиницистам предвидеть терапевтические эффекты при конкретных обстоятельствах, а затем адаптировать параметры стимуляции к потребностям пациента.
Protocol
Representative Results
Discussion
Учитывая достижения в понимании функции мозга и нейронных сетей, участвующих в патофизиологии нервно-психических расстройств, все больше и больше исследований признают потенциал DBS в широком спектре неврологических патологий2. Однако механизм действия этой терапии остае…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим профессора Кристину Винтер, Джулию Кляйн, Александру де Франсиско и Иоланду Сьерра за их неоценимую поддержку в оптимизации описанной здесь методологии. MLS была поддержана Министерством науки и инноваций, Институтом спасения Карлоса III (номер проекта PI17/01766 и номер гранта BA21/0030), совместно финансируемым Европейским фондом регионального развития (ERDF), «Путь к европеизации»; СИБЕРСАМ (номер проекта CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (проект No 2017/085); Фонд Мапфре; и Фонд Алисии Копловиц. MCV был поддержан Фондом Татьяны Перес де Гусман эль Буэно в качестве стипендиата этого учреждения и Объединенной программой ЕС – Исследования нейродегенеративных заболеваний (JPND). DRM был поддержан Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, софинансируемым Европейским социальным фондом «Инвестирование в свое будущее» (номер гранта PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR был поддержан Институтом санитарных исследований Грегорио Мараньона, «Программа Intramural de Impulso a la I+D+I 2019». Работа в области медицины была поддержана Министерством науки и инноваций (MCIN) и Институтом спасения Карлоса III (ISCIII) (PT20/00044). CNIC поддерживается Институтом спасения Карлоса III (ISCIII), Министром науки и инноваций (MCIN) и Фондом Pro CNIC и является Центром передового опыта Северо Очоа (SEV-2015-0505).
Materials
| 7-Tesla Biospec 70/20 scanner | Bruker, Germany | SN0021 | MRI scanner for small animal imaging |
| Betadine | Meda Pharma S.L., Spain | 644625.6 | Iodine solution (iodopovidone) |
| Beurer IL 11 | Beurer | SN87318 | Infra-red light |
| Bipolar cable 50 cm w/50 cm mesh covering up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-305 (CM) | |
| Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-340/2 | Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm |
| Buprex | Schering-Plough, S.A | 961425 | Buprenorphine (analgesic) |
| Ceftriaxona Reig Jofré 1g IM | Laboratorio Reig Jofré S.A., Spain | 624239.1 | Ceftriaxone (antibiotic) |
| Commutator | Plastics One, USA | SL2+2C | 4 Channel Commutator for DBS |
| Concentric bipolar platinum-iridium electrodes | Plastics One, USA | MS303/8-AIU/Spc | Electrodes for DBS |
| Driller | Bosh | T58704 | Driller |
| FDG | Curium Pharma Spain S.A., Spain | —– | 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (PET radiotracer) |
| Heating pad | DAGA, Spain | 23115 | Heating pad |
| Ketolar | Pfizer S.L., Spain | 776211.9 | Ketamine (anesthetic drug) |
| Lipolasic 2 mg/g | Bausch & Lomb S.A, Spain | 65277 | Ophthalmic lubricating gel |
| MatLab R2021a | The MathWorks, Inc | Support software for SPM12 | |
| MRIcro | McCausland Center for Brain Imaging, University of South Carolina, USA | v2.1.58-0 | Software for imaging preprocessing and analysis |
| Multimodality Workstation (MMWKS) | BiiG, Spain | Software for imaging processing and analysis | |
| Omicrom VISION VET | RGB Medical Devices, Spain | 731100 ReV B | Cardiorrespiratory monitor for small imaging |
| Prevex Cotton buds | Prevex, Finland | —– | Cotton buds |
| Sevorane | AbbVie Spain, S.L.U, Spain | 673186.4 | Sevoflurane (inhalatory anesthesia) |
| Small screws | Max Witte GmbH | 1,2 x 2 DIN 84 A2 | Small screws |
| Standard U-Frame Stereotaxic Instrument for Rat, 18° Ear Bar | Harvard Apparatus, USA | 75-1801 | Two-arms Stereotactic frame for rat |
| Statistical Parametric Mapping (SPM12) | The Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Queen Square Institute of Neurology, UK | SPM12 | Software for voxel-wise imaging analysis |
| STG1004 | Multi Channel Systems GmbH, Germany | STG1004 | Isolated stimulator |
| SuperArgus PET/CT scanner | Sedecal, Spain | S0026403 | NanoPET/CT scanner for small animal imaging |
| Suture thread with needle, 1/º | Lorca Marín S.A., Spain | 55325 | Braided natural silk non-absorbable suture 1/0, with triangle needle |
| Technovit 4004 (powder and liquid) | Kulzer Technique, Germany | 64708471; 64708474 | Acrylic dental cement for craniotomy tap |
| Wistar rats (Rattus norvergicus) | Charles River, Spain | animal facility | Animal model used |
| Xylagesic | Laboratorios Karizoo, A.A, Spain | 572599-4 | Xylazine (anesthetic drug) |
| Normon S.A., Spain | 602910 | Mepivacaine in gel for topical use |
References
- Gildenberg, P. L. Neuromodulation: A historical perspective. Neuromodulation. 1, 9-20 (2009).
- Lee, D. J., Lozano, C. S., Dallapiazza, R. F., Lozano, A. M. Current and future directions of deep brain stimulation for neurological and psychiatric disorders. Journal of Neurosurgery. 131 (2), 333-342 (2019).
- Casquero-Veiga, M. Preclinical molecular neuroimaging in deep brain stimulation. Complutense University of Madrid. , (2021).
- Blaha, C. D. Theories of deep brain stimulation mechanisms. Deep Brain Stimulation: Indictions and Applications. , 314-338 (2016).
- Fins, J. J. Deep brain stimulation: Ethical issues in clinical practice and neurosurgical research. Neuromodulation. 1, 81-91 (2009).
- Desmoulin-Canselier, S., Moutaud, B. Animal models and animal experimentation in the development of deep brain stimulation: From a specific controversy to a multidimensional debate. Frontiers in Neuroanatomy. 13, 51 (2019).
- Casquero-Veiga, M., Hadar, R., Pascau, J., Winter, C., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Response to deep brain stimulation in three brain targets with implications in mental disorders: A PET study in rats. PLOS One. 11 (12), 0168689 (2016).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Understanding deep brain stimulation: In vivo metabolic consequences of the electrode insertional effect. BioMed Research International. 2018, 1-6 (2018).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Pascau, J., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Stimulating the nucleus accumbens in obesity: A positron emission tomography study after deep brain stimulation in a rodent model. PLOS One. 13 (9), 0204740 (2018).
- Pascau, J., Vaquero, J. J., Abella, M., Cacho, R., Lage, E., Desco, M. Multimodality workstation for small animal image visualization and analysis. Scientific Papers. Molecular Imaging and Biology. 8, 97-98 (2006).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Roy, M., et al. A dual tracer PET-MRI protocol for the quantitative measure of regional brain energy substrates uptake in the rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (82), e50761 (2013).
- Klein, J., et al. A novel approach to investigate neuronal network activity patterns affected by deep brain stimulation in rats. Journal of Psychiatric Research. 45 (7), 927-930 (2011).
- Soto-Montenegro, M. L., Pascau, J., Desco, M. Response to deep brain stimulation in the lateral hypothalamic area in a rat model of obesity: In vivo assessment of brain glucose metabolism. Molecular Imaging and Biology. , 830-837 (2014).
- Pascau, J., et al. Automated method for small-animal PET image registration with intrinsic validation. Molecular Imaging and Biology. 11 (2), 107-113 (2009).
- Andersson, J. L. R. How to estimate global activity independent of changes in local activity. Neuroimage. 244 (60), 237-244 (1997).
- . Wellcome Trust Centre for Neuroimaging SPM12-Statitstical Parametric Mapping Available from: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ (2022)
- Lozano, A. M., et al. Deep brain stimulation: current challenges and future directions. Nature Reviews Neurology. 15 (3), (2019).
- Boecker, H., Drzezga, A. A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science. NeuroImage. 131, (2016).
- Sprengers, M., et al. Deep brain stimulation reduces evoked potentials with a dual time course in freely moving rats: Potential neurophysiological basis for intermittent as an alternative to continuous stimulation. Epilepsia. 61 (5), 903-913 (2020).
- Middlebrooks, E. H., et al. Acute brain activation patterns of high- versus low-frequency stimulation of the anterior nucleus of the thalamus during deep brain stimulation for epilepsy. Neurosurgery. 89 (5), 901-908 (2021).
- Ashkan, K., Rogers, P., Bergman, H., Ughratdar, I. Insights into the mechanisms of deep brain stimulation. Nature Reviews Neurology. 13 (9), 548-554 (2017).
- Williams, N. R., Taylor, J. J., Lamb, K., Hanlon, C. A., Short, E. B., George, M. S. Role of functional imaging in the development and refinement of invasive neuromodulation for psychiatric disorders. World Journal of Radiology. 6 (10), 756-778 (2014).
- Rodman, A. M., Dougherty, D. D. . Nuclear medicine in neuromodulation. Neuromodulation in Psychiatry. , 81-99 (2016).
- Albaugh, D. L., Shih, Y. -. Y. I. Neural circuit modulation during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus for Parkinson’s disease: what have we learned from neuroimaging studies. Brain Connectivity. 4 (1), 1-14 (2014).
- Mayberg, H. S., et al. Reciprocal limbic-cortical function and negative mood: Converging PET findings in depression and normal sadness. Neurology, and Radiology. 156 (5), 675-682 (1999).
- Kennedy, S. H., et al. Differences in brain glucose metabolism between responders to CBT and Venlafaxine in a 16-week randomized controlled trial. American Journal of Psychiatry. 164 (5), 778-788 (2007).
- Kennedy, S. H., et al. Changes in regional brain glucose metabolism measured with positron emission tomography after paroxetine treatment of major depression. American Journal of Psychiatry. 158 (6), 899-905 (2001).
- Brown, E. C., Clark, D. L., Forkert, N. D., Molnar, C. P., Kiss, Z. H. T., Ramasubbu, R. Metabolic activity in subcallosal cingulate predicts response to deep brain stimulation for depression. Neuropsychopharmacology. 45, 1681-1688 (2020).
- Klooster, D. C. W., et al. Technical aspects of neurostimulation: Focus on equipment, electric field modeling, and stimulation protocols. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 65, 113-141 (2016).
- Kasoff, W., Gross, R. E. Deep brain stimulation: Introduction and Technical Aspects. Neuromodulation in Psychiatry. , 245-275 (2016).
- Perez-Caballero, L., et al. Early responses to deep brain stimulation in depression are modulated by anti-inflammatory drugs. Molecular Psychiatry. 19, 607-614 (2014).
- Solera Ruiz, I., UñaOrejón, R., Valero, I., Laroche, F. Craniotomy in the conscious patient. Considerations in special situations. Spanish Journal of Anesthesiology and Resuscitation. 60 (7), 392-398 (2013).
- Casali, M., et al. State of the art of 18F-FDG PET/CT application in inflammation and infection: a guide for image acquisition and interpretation. Clinical and Translational Imaging. 9 (4), 299-339 (2021).
- Gonzalez-Escamilla, G., Muthuraman, M., Ciolac, D., Coenen, V. A., Schnitzler, A., Groppa, S. Neuroimaging and electrophysiology meet invasive neurostimulation for causal interrogations and modulations of brain states. NeuroImage. 220, 117144 (2020).
