Sıçanda Dinlenme Durumu Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme Verilerinin Alınması
Summary
Bu protokol, düşük doz deksmedetomidin ile birlikte düşük doz izofluran kullanan bir sıçandan kararlı istirahat durumu fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (rs-fMRI) verilerini elde etmek için bir yöntem açıklar.
Abstract
Dinlenme durumu fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (rs-fMRI), dinlenme, görev dışı bir durumda beyin fonksiyonlarını incelemek için giderek daha popüler bir yöntem haline gelmiştir. Bu protokol, rs-fMRI verilerini elde etmek için klinik öncesi bir sağkalım yöntemini açıklar. Düşük doz izofluran ile α sürekli infüzyonubirleştirildiğinde, 2 adrenerjik reseptör agonist dekmedetomidinin beyin ağı fonksiyonunu korurken istikrarlı, yüksek kaliteli veri toplama için sağlam bir seçenek sağlar. Ayrıca, bu prosedür sıçanda spontan solunuma ve normale yakın fizyolojiye izin verir. Ek görüntüleme dizileri, bu yöntem kullanılarak 5 saate kadar anestezik stabiliteye sahip deneysel protokoller oluşturan dinlenme durumu kazanımı ile birleştirilebilir. Bu protokol, ekipmanın kurulumunu, anestezinin dört farklı aşamasında sıçan fizyolojisinin izlenmesini, dinlenme durumu taramalarının edinimini, verilerin kalite değerlendirmesini, hayvanın kurtarılmasını ve işlem sonrası veri analizinin kısa bir tartışmasını açıklar. Bu protokol, istirahatte meydana gelen beyin ağı değişikliklerini ortaya çıkarmak için çok çeşitli preklinik kemirgen modellerinde kullanılabilir.
Introduction
Dinlenme durumu fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (rs-fMRI), beyin dinlendiğinde ve belirli bir görevle meşgul olmadığında kan-oksijen seviyesine bağımlı (BOLD) sinyalin bir ölçüsüdür. Bu sinyaller, sinir ağları içindeki işlevsel bağlantıyı belirlemek için beyin bölgeleri arasındaki korelasyonları ölçmek için kullanılabilir. rs-fMRI, invazivliği ve hastaların ihtiyaç duyduğu düşük efor miktarı nedeniyle klinik çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır (görev tabanlı fMRI ile karşılaştırıldığında) çeşitli hasta popülasyonları için en uygun hale getirmektedir1.
Teknolojik gelişmeler, rs-fMRI’nın hastalık durumlarının altında yatan mekanizmaları ortaya çıkarmak için kemirgen modellerinde kullanılmak üzere uyarlanmasına izin verdi (bkz. gözden geçirme için referans2). Hastalık veya nakavt modelleri de dahil olmak üzere preklinik hayvan modelleri, insanlarda geçerli olmayan çok çeşitli deneysel manipülasyonlara izin verir ve çalışmalar ayrıca deneyleri daha da geliştirmek için ölüm sonrası örneklerden yararlanabilir2. Bununla birlikte, hem hareketi sınırlama hem de stresi azaltmadaki zorluk nedeniyle, kemirgenlerde MRI alımı geleneksel olarak anestezi altında gerçekleştirilir. Anestezik ajanlar, farmakokinetiklerine, farmakodinamiklerine ve moleküler hedeflerine bağlı olarak beyin kan akışını, beyin metabolizmasını etkiler ve potansiyel olarak nörovasküler bağlantı yollarını etkiler.
Nörovasküler kavramayı ve beyin ağı fonksiyonu 3 , 4,5,6,7,8’ikoruyan anestezik protokoller geliştirmek için çok sayıda çaba olmuştur. Daha önce düşük dozda izofluran ve düşük dozda α2 adrenerjik reseptör agonist deksmedetomidin uygulanan bir anestezi rejimi bildirdik9. Bu anestezi yöntemi kapsamındaki sıçanlar, yerleşik projeksiyon yollarıyla (ventrolateral ve ventromedial talamik nüklei, birincil ve ikincil somatosensör korteks) tutarlı bölgelerde bıyık stimülasyonuna sağlam BOLD yanıtları gösterdi; varsayılan mod ağı10 , 11ve salience network12 de dahil olmak üzere büyük ölçekli dinlenme durumu beyin ağları da sürekli olarak algılanmıştır. Ayrıca, bu anestezik protokol, hastalığın ilerlemesini ve deneysel manipülasyonların etkisini uzunlamasına izlemek için önemli olan aynı hayvan üzerinde tekrarlanan görüntülemeye izin verir.
Bu çalışmada, ilgili deneysel kurulum, hayvan hazırlama ve fizyolojik izleme prosedürlerini detaylandırıyoruz. Özellikle, her aşamada spesifik anestezik evreleri ve taramaların alımını açıklıyoruz. Veri kalitesi, her dinlenme durumu taramasından sonra değerlendirilir. Tarama sonrası analizin kısa bir özeti de tartışmaya dahildir. Sıçanlarda rs-fMRI kullanma potansiyelini ortaya çıkarmakla ilgilenen laboratuvarlar bu protokolü yararlı bulacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hayvanın hem fiziksel hem de fizyolojik olarak stabilitesi, yüksek kaliteli dinlenme durumu verileri elde etmenin anahtarıdır. Bu protokol anestezinin dört farklı aşamasında ilerleyerek stabiliteyi elde eder. Hayvanın anestezinin bir sonraki aşamasına geçmeden önce belirlenen fizyolojik eşikleri karşılamış olması zorunludur; Bu yöntem fizyolojik otoregülatör mekanizmalara dayandığından, bireysel hayvanlar her anestezi aşamasında biraz farklı miktarlarda zaman gerektirebilir. Deneyimlerimize g?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüsü’nün (NIH) Ulusal Uyuşturucu Bağımlılığı Enstitüsü’nün (NIDA) [DJW, EDKS ve EMB, Alan I. Green’e verilen Grant R21DA044501 tarafından desteklendi ve DJW, Alan J. Budney’e Grant T32DA037202 ve Ulusal Alkol Bağımlılığı ve Alkolizm Enstitüsü (NIAAA) [Emily D. K. Sullivan’a Grant F31AA028413] tarafından desteklendi. Dartmouth’taki Raymond Sobel Psikiyatri Profesörü olarak Alan I. Green’in bağışlanan fonu aracılığıyla ek destek sağlandı.
Hanbing Lu, Nih Ulusal Uyuşturucu Bağımlılığı Enstitüsü Intramural Araştırma Programı tarafından desteklenmektedir.
Yazarlar merhum Alan I. Green’e teşekkür etmek ve teşekkür etmek istiyor. Birlikte ortaya çıkan bozukluklar alanına olan sarsılmaz bağlılığı, yazarlar arasında işbirliğinin kurulmasına yardımcı oldu. Kendisine büyük özlenecek olan akıl hocalığı ve rehberliği için teşekkür ederiz.
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).
