Anskaffelse av hviletilstand funksjonell magnetisk resonansavbildningsdata i rotten
Summary
Denne protokollen beskriver en metode for å oppnå stabile hviletilstand funksjonelle magnetiske resonansavbildningsdata (rs-fMRI) fra en rotte ved hjelp av lavdose isofluran i kombinasjon med lavdose deksmedetomidin.
Abstract
Resting-state funksjonell magnetisk resonansavbildning (rs-fMRI) har blitt en stadig mer populær metode for å studere hjernefunksjon i hvilende, ikke-oppgavetilstand. Denne protokollen beskriver en preklinisk overlevelsesmetode for å hente rs-fMRI-data. Kombinere isofluran med lav dose med kontinuerlig infusjon av α2 adrenerge reseptoragonist deksmedetomidin gir et robust alternativ for stabil datainnsamling av høy kvalitet samtidig som hjernenettverksfunksjonen bevares. Videre tillater denne prosedyren spontan pust og nesten normal fysiologi hos rotten. Ytterligere bildesekvenser kan kombineres med resting-state-anskaffelse som skaper eksperimentelle protokoller med bedøvelsesstabilitet på opptil 5 timer ved hjelp av denne metoden. Denne protokollen beskriver oppsett av utstyr, overvåking av rottefysiologi i fire forskjellige faser av anestesi, oppkjøp av hviletilstandsskanninger, kvalitetsvurdering av data, gjenoppretting av dyret og en kort diskusjon av etterbehandling av dataanalyse. Denne protokollen kan brukes på tvers av et bredt utvalg av prekliniske gnagermodeller for å bidra til å avsløre de resulterende hjernenettverksendringene som oppstår i ro.
Introduction
Resting-state funksjonell magnetisk resonansavbildning (rs-fMRI) er et mål på det blod-oksygen-nivå-avhengige (BOLD) signalet når hjernen er i ro og ikke engasjert i noen bestemt oppgave. Disse signalene kan brukes til å måle sammenhenger mellom hjerneregioner for å bestemme den funksjonelle tilkoblingen i nevrale nettverk. rs-fMRI er mye brukt i kliniske studier på grunn av sin ikke-invasivitet og den lave innsatsen som kreves av pasienter (sammenlignet med oppgavebasert fMRI) noe som gjør den optimal for ulike pasientpopulasjoner1.
Teknologiske fremskritt har gjort det mulig å tilpasse rs-fMRI til bruk i gnagermodeller for å avdekke mekanismer som ligger til grunn for sykdomstilstander (se referanse2 for gjennomgang). Prekliniske dyremodeller, inkludert sykdoms- eller knockout-modeller, tillater et bredt spekter av eksperimentelle manipulasjoner som ikke gjelder hos mennesker, og studier kan også benytte seg av post-mortem prøver for å forbedre eksperimenter2ytterligere . Likevel, på grunn av vanskeligheten med både å begrense bevegelse og redusere stress, utføres MR-oppkjøp hos gnagere tradisjonelt under anestesi. Bedøvelsesmidler, avhengig av deres farmakokinetikk, farmakodynamikk og molekylære mål, påvirker hjernens blodstrøm, hjernemetabolisme og potensielt påvirker nevrovaskulære koblingsveier.
Det har vært mange anstrengelser for å utvikle bedøvelsesprotokoller som bevarer nevrovaskulær kobling og hjernenettverksfunksjon3,4,5,6,7,8. Vi har tidligere rapportert et bedøvelsesregime som anvendte en lav dose isofluran sammen med en lav dose av α2 adrenerge reseptoragonist deksmedetomidin9. Rotter under denne anestesimetoden viste robuste BOLD-responser på whiskerstimulering i regioner som er i samsvar med etablerte projeksjonsveier (ventrolaterale og ventromedial thalamic kjerner, primære og sekundære somatosensoriske cortex); store hjernenettverk for hviletilstand, inkludert standardmodusnettverket10,11 og salience-nettverk12, har også blitt konsekvent oppdaget. Videre tillater denne bedøvelsesprotokollen gjentatt avbildning på samme dyr, noe som er viktig for å overvåke sykdomsprogresjonen og effekten av eksperimentelle manipulasjoner langsgående.
I den nåværende studien beskriver vi det eksperimentelle oppsettet, dyreforberedelsene og fysiologiske overvåkingsprosedyrer som er involvert. Spesielt beskriver vi de spesifikke bedøvelsesfasene og anskaffelsen av skanninger i hver fase. Datakvaliteten vurderes etter hver skanning i hviletilstanden. En kort oppsummering av analysen etter skanning er også inkludert i diskusjonen. Laboratorier som er interessert i å avdekke potensialet for å bruke rs-fMRI hos rotter, vil finne denne protokollen nyttig.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dyrets stabilitet, både fysisk og fysiologisk, er nøkkelen til å skaffe hviletilstandsdata av høy kvalitet. Denne protokollen oppnår stabilitet ved å bevege seg gjennom fire forskjellige faser av anestesi. Det er viktig at dyret har møtt de angitte fysiologiske tersklene før du går til neste fase av anestesi; siden denne metoden er avhengig av fysiologiske autoregulatoriske mekanismer, kan individuelle dyr kreve litt forskjellige mengder tid i hver anestesifase. Det er vår erfaring at det å ta mer tid i hver f…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av midler fra National Institute of Health (NIH)s National Institute on Drug Abuse (NIDA) [DJW, EDKS, og EMB ble støttet av Grant R21DA044501 tildelt Alan I. Green og DJW ble støttet av Grant T32DA037202 til Alan J. Budney] og National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism (NIAAA) [Grant F31AA028413 til Emily D. K. Sullivan]. Ytterligere støtte ble gitt gjennom Alan I. Greens begavede fond som Raymond Sobel Professor of Psychiatry i Dartmouth.
Hanbing Lu støttes av National Institute on Drug Abuse Intramural Research Program, NIH.
Forfatterne ønsker å anerkjenne og takke avdøde Alan I. Green. Hans urokkelige dedikasjon til feltet samtidige lidelser bidro til å etablere samarbeid mellom forfatterne. Vi takker ham for hans mentorskap og veiledning, som vil bli sterkt savnet.
Materials
| 9.4T MRI | Varian/Bruker | Varian upgraded with Bruker console running Paravision 6.0.1 software | |
| Air-Oxygen Mixer | Sechrist | Model 3500CP-G | |
| Analysis of Functional NeuroImages (AFNI) | NIMH/NIH | Version AFNI_18.3.03 | Freely available at: https://afni.nimh.nih.gov/ |
| Animal Cradle | RAPID Biomedical | LHRXGS-00563 | rat holder with bite bar, nose cone and ear bars |
| Animal Physiology Monitoring & Gating System | SAII | Model 1025 | MR-compatible system including oxygen saturation, temperature, respiration and fiber optic pulse oximetry add-on |
| Antisedan (atipamezole hydrochloride) | Patterson Veterinary | 07-867-7097 | Zoetis, Manufacturer Item #10000449 |
| Ceramic MRI-Safe Scissors | MRIequip.com | MT-6003 | |
| Clippers | Patterson Veterinary | 07-882-1032 | Wahl touch-up trimmer combo kit, Manufacturer Item #09990-1201 |
| Dexmedesed (dexmedetomidine hydrochloride) | Patterson Veterinary | 07-893-1801 | Dechra Veterinary Products, Manufacturer Item#17033-005-10 |
| Digital Rectal Thermometer Covers | Medline | MDS9608 | |
| FMRIB Software Library | FMRIB | MELODIC Version 3.15 | Freely available at: https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki |
| Heating Pad | Cara Inc. | Model 50 | |
| Hemostat forceps, straight | Kent Scientific | INS750451-2 | |
| Isoflurane | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | Patterson Private Label, Manufacturer Item #14043-0704-06 |
| Isoflurane Vaporizer | VetEquip Inc. | 911103 | |
| Lab Tape, 3/4" | VWR International | 89097-990 | |
| Needles, 23 gauge | BD | 305145 | plastic hub removed |
| Parafilm Laboratory Film | Patterson Veterinary | 07-893-0260 | Medline Industries Inc., Manufacturer Item #HSFHS234526A |
| Planar Surface Coil | Bruker | T12609 | 2cm |
| Polyethylene Tubing | Braintree Scientific | PE50 50FT | 0.023" (inner diameter), 0.038" (outer diameter) |
| Puralube Ophthalmic Ointment | Patterson Veterinary | 07-888-2572 | Dechra Veterinary Products, Manufacturer Item #211-38 |
| Sprague Dawley Rats | Charles River | 400 SAS SD | |
| Sterile 0.9% Saline Solution | Patterson Veterinary | 07-892-4348 | Aspen Vet, Manufacturer Item #14208186 |
| Sterile Alcohol Prep Pads | Medline | MDS090735 | |
| Surgical Tape, 1" (3M Durapore) | Medline | MMM15381Z | 3M Healthcare, "wide medical tape" |
| Surgical White Paper Tape, 1/2" (3M Micropore) | Medline | MMM15300 | 3M Healthcare |
| Syringes, 1 mL w/ 25 gauge needle | BD | 309626 | |
| Syringes, 3 mL | BD | 309657 | |
| Vented induction and scavenging system | VetEquip Inc. | 942102 | 2 liter induction chamber with active scavenging |
| 411724 | omega flowmeter | ||
| 931600 | scavenging cube, "vacuum" | ||
| 921616 | nose cone, non-rebreathing |
Riferimenti
- Smitha, K. A., et al. Resting state fMRI: A review on methods in resting state connectivity analysis and resting state networks. The Neuroradiology Journal. 30 (4), 305-317 (2017).
- Gorges, M., et al. Functional connectivity mapping in the animal model: Principles and applications of resting-state fMRI. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
- Paasonen, J., Stenroos, P., Salo, R. A., Kiviniemi, V., Gröhn, O. Functional connectivity under six anesthesia protocols and the awake condition in rat brain. NeuroImage. 172, 9-20 (2018).
- Pawela, C. P., et al. A protocol for use of medetomidine anesthesia in rats for extended studies using task-induced BOLD contrast and resting-state functional connectivity. NeuroImage. 46 (4), 1137-1147 (2009).
- Jonckers, E., et al. Different anesthesia regimes modulate the functional connectivity outcome in mice. Magnetic Resonance in Medicine. 72 (4), 1103-1112 (2014).
- Williams, K. A., et al. Comparison of alpha-chloralose, medetomidine and isoflurane anesthesia for functional connectivity mapping in the rat. Magnetic Resonance Imaging. 28 (7), 995-1003 (2010).
- Zhurakovskaya, E., et al. Global functional connectivity differences between sleep-like states in urethane anesthetized rats measured by fMRI. PloS One. 11 (5), 0155343 (2016).
- Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. -. G. Effects of the α2-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex. The European Journal of Neuroscience. 37 (1), 80-95 (2013).
- Brynildsen, J. K., et al. Physiological characterization of a robust survival rodent fMRI method. Magnetic Resonance Imaging. 35, 54-60 (2017).
- Lu, H., et al. Rat brains also have a default mode network. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (10), 3979-3984 (2012).
- Lu, H., et al. Low- but not high-frequency LFP correlates with spontaneous BOLD fluctuations in rat whisker barrel cortex. Cerebral Cortex. 26 (2), 683-694 (2016).
- Tsai, P. -. J., et al. Converging structural and functional evidence for a rat salience network. Biological Psychiatry. 88 (11), 867-878 (2020).
- Murphy, K., Bodurka, J., Bandettini, P. A. How long to scan? The relationship between fMRI temporal signal to noise ratio and necessary scan duration. NeuroImage. 34 (2), 565-574 (2007).
- Birn, R. M., et al. The effect of scan length on the reliability of resting-state fMRI connectivity estimates. NeuroImage. 83, 550-558 (2013).
- Lu, H., et al. Synchronized delta oscillations correlate with the resting-state functional MRI signal. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (46), 18265-18269 (2007).
- Lu, H., et al. Registering and analyzing rat fMRI data in the stereotaxic framework by exploiting intrinsic anatomical features. Magnetic Resonance Imaging. 28 (1), 146-152 (2010).
- Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
- Ash, J. A., et al. Functional connectivity with the retrosplenial cortex predicts cognitive aging in rats. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (43), 12286-12291 (2016).
- Hsu, L. -. M., et al. Intrinsic insular-frontal networks predict future nicotine dependence severity. The Journal of Neuroscience. 39 (25), 5028-5037 (2019).
- Li, Q., et al. Resting-state functional MRI reveals altered brain connectivity and its correlation with motor dysfunction in a mouse model of Huntington’s disease. Scientific Reports. 7, (2017).
- Lu, H., et al. Abstinence from cocaine and sucrose self-administration reveals altered mesocorticolimbic circuit connectivity by resting state MRI. Brain Connectivity. 4 (7), 499-510 (2014).
- Seewoo, B. J., Joos, A. C., Feindel, K. W. An analytical workflow for seed-based correlation and independent component analysis in interventional resting-state fMRI studies. Neuroscience Research. 165, 26-37 (2021).
- Broadwater, M. A., et al. Adolescent alcohol exposure decreases frontostriatal resting-state functional connectivity in adulthood. Addiction Biology. 23 (2), 810-823 (2018).
- Jaime, S., Cavazos, J. E., Yang, Y., Lu, H. Longitudinal observations using simultaneous fMRI, multiple channel electrophysiology recording, and chemical microiontophoresis in the rat brain. Journal of Neuroscience Methods. 306, 68-76 (2018).
