Головные имплантаты для нейровизуализации бодрствующих крыс с фиксированной головой
Summary
Подробно описана новая процедура функциональной визуализации бодрствующих крыс с фиксированной головой.
Abstract
Анестетики, широко используемые в доклинических и фундаментальных научных исследованиях, оказывают депрессивное влияние на метаболические, нейронные и сосудистые функции мозга и могут отрицательно влиять на нейрофизиологические результаты. Использование бодрствующих животных для научных исследований выгодно, но создает серьезную проблему поддержания спокойствия и неподвижности животных, чтобы свести к минимуму артефакты движения во время сбора данных. Визуализация бодрствования у грызунов меньшего размера (например, мышей) очень распространена, но остается скудной у крыс, поскольку крысы крупнее, сильнее и имеют большую тенденцию противостоять ограничениям движения и фиксации головы в течение длительного времени, необходимого для визуализации. Описана новая модель нейровизуализации бодрствующих крыс с фиксированной головой с использованием сшитых вручную строп, напечатанных на 3D-принтере головных имплантатов, головных колпачков и каркаса головы. Результаты, полученные после одного испытания стимуляции одним усом, свидетельствуют об увеличении интенсивности вызванного функционального ответа. Приобретение вызванного функционального ответа у бодрствующих крыс с фиксированной головой происходит быстрее, чем у крыс, подвергшихся анестезии, надежно, воспроизводимо и может использоваться для повторных лонгитюдных исследований.
Introduction
Большинство базовых, доклинических и трансляционных научных исследований нейровизуализации получены от анестезированных животных 1,2. Анестетики облегчают эксперименты, но постоянно влияют на обмен веществ в мозге и организме, кровяное давление и частоту сердечных сокращений3. Тип анестетика, а также продолжительность и путь введения добавляют смешанные переменные к интерпретации данных, которые могут способствовать воспроизводимости и трансляционным сбоям4. Основным узким местом исследований нейровизуализации крыс в бодрствующем состоянии с фиксированной головой является требование сохранять крысу неподвижной и спокойной на протяжении всего процесса подготовки и сбора данных. Небольшие движения создают необоснованные артефакты движения, которые могут отрицательно сказаться на анализе и интерпретации данных.
Была разработана новая модель нейровизуализации от бодрствующих крыс с фиксированной головой с использованием индивидуальных строп, трехмерных (3D) напечатанных головных имплантатов, головных колпачков и каркаса головы, который предлагает несколько преимуществ для легкого экспериментирования. 3D-имплантат головы легкий и покрывает небольшую часть черепа, необходимую для перефиксации. Головные имплантаты и колпачки, напечатанные на 3D-принтере, разработаны с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР). Протоколы стимуляции усов, сбора данных, анализа данных и результатов анестезированных крыс были подробно описаны в предыдущей работе 5,6,7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Использование визуализации крыс в бодрствующем состоянии с фиксированной головой дает много преимуществ с точки зрения простоты и настройки. Специально разработанные стропы позволяют обернуть крыс дышащим сетчатым материалом, устраняя необходимость помещать животных в закрытые пл?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы выражаем благодарность Кларе Джонс, Джеймсу Стирволту, Линь Хоангу, Янг Джун Ха и Амирсохейлу Заре за их помощь во время дрессировки крыс и подготовки пращ. Финансирование было предоставлено Национальными институтами здравоохранения (NIH, номер гранта: NS119852) и Фондом Leducq (номер гранта: 15CVD02).
Materials
| Rats | Charles River | Sprague Dawley | |
| Isoflurane | Pivetal | 21295098 | General anesthetic |
| Lidocaine HCl 2% injection | Phoenix | L-2000-04 | Local anesthetic |
| Atropine sulfate injection | Vedco | 5098907512 | Help in respiration |
| Lactated Ringer's injection solution | Vedco | 50989088317 | |
| Flunixin injection | Vedco | 6064408670 | Pain management |
| Enrosite injection (Enrofloxacin 2.27%) | VetOne | 501084 | Avoid infection |
| PromAce injection (Acepromazine maleate) | Beohringer Ingelheim | 136059 | |
| Animax ointment | Dechra Veterinary Products | 122-75 | active ingredients of nystatin 1000units per gram, neomycin sulfate 2.5mg per gram, thiostrepton 2500 units per gram, and triamcinolone acetonide 1mg per gram |
| Puralube ophthalmic ointment | Dechra Veterinary Products | 211-38 | |
| Povidone-iodine PVP prep pads | Medline | MDS093917 | Betadine generic |
| Isopropyl alcohol swabs | BD | 326895 | |
| Vetbond tissue adhesive | 3M | 1469SB | |
| Bur (drill bit), standard operatory carbide | SS White Burs | 14829 | #3 bur |
| Screws, 00-90 x 1/8 flat head stainless steel | J.I. Morris | F0090CE125 | Anchor screws |
| Stereotaxic system | Kopf Instruments | 1430 | |
| Homeothermic heating blanket | Harvard Apparatus | 50-7220-F | |
| Pulse oximeter & heart rate monitor | Kent Scientific | MouseStat Jr. | |
| Petrolatum | Fisher Scientific | P66-1LB | Vaseline generic |
| Wire, bare copper | Fisher Scientific | 15-545-2C | 20 gauge |
| Teets Cold Cure powder | Pearson Dental | C73-0054 | active ingredient: Methyl Methacrylate |
| Teets Cold Cure liquid | Pearson Dental | C73-0078 | active ingredient: Methyl Methacrylate |
| Silicone mold rubber | Smooth-On | Body Double Fast | silicon polymer |
| Metricide 28 (Germicide) | Metrex | Oct-05 | |
| India ink, black | Pelikan | 301051 | |
| Dental drill | NSK Dental | Ultimate XL-F | |
| 3D printer | Prusa Research | i3 MK3S+ | |
| Sew on fasteners | Velcro | 90030 | |
| Pet screening utility fabric | Joann | 10173334 | Netting material |
| Bur (drill bit), standard operatory carbide | SS White Burs | 14829 | #1 bur |
Riferimenti
- Cicero, L., Fazzotta, S., Palumbo, V. D., Cassata, G., Lo Monte, A. I. Anesthesia protocols in laboratory animals used for scientific purposes. Acta Biomedica. 89 (3), 337-342 (2018).
- Lythgoe, M. F., Sibson, N. R., Harris, N. G. Neuroimaging of animal models of brain disease. British Medical Bulletin. 65, 235-257 (2003).
- Albrecht, M., Henke, J., Tacke, S., Markert, M., Guth, B. Influence of repeated anaesthesia on physiological parameters in male Wistar rats: A telemetric study about isoflurane, ketamine-xylazine and a combination of medetomidine, midazolam and fentanyl. BMC Veterinary Research. 10, 310 (2014).
- Uhlig, C., Krause, H., Koch, T., Gama de Abreu, M., Spieth, P. M. Anesthesia and monitoring in small laboratory mammals used in anesthesiology, respiratory and critical care research: A systematic review on the current reporting in top-10 impact factor ranked journals. PLoS One. 10 (8), 0134205 (2015).
- Chen-Bee, C. H., et al. Visualizing and quantifying evoked cortical activity assessed with intrinsic signal imaging. Journal of Neuroscience Methods. 97 (2), 157-173 (2000).
- Chen-Bee, C. H., Agoncillo, T., Xiong, Y., Frostig, R. D. The triphasic intrinsic signal: Implications for functional imaging. The Journal of Neuroscience. 27 (17), 4572-4586 (2007).
- Chen-Bee, C. H., Agoncillo, T., Lay, C. C., Frostig, R. D. Intrinsic signal optical imaging of brain function using short stimulus delivery intervals. Journal of Neuroscience Methods. 187 (2), 171-182 (2010).
- Scott, B. B., Brody, C. D., Tank, D. W. Cellular Resolution Functional Imaging in Behaving Rats Using Voluntary Head Restraint. Neuron. 80 (2), 371-384 (2013).
- Frostig, R. D., Lieke, E. E., Ts’o, D. Y., Grinvald, A. Cortical functional architecture and local coupling between neuronal activity and the microcirculation revealed by in vivo high-resolution optical imaging of intrinsic signals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (16), 6082-6086 (1990).
- Chang, P. C., et al. Novel method for functional brain imaging in awake minimally restrained rats. Journal of Neurophysiology. 116 (1), 61-80 (2016).
- Stenroos, P., et al. Awake rat brain functional magnetic resonance imaging using standard radio frequency coils and a 3D printed restraint kit. Frontiers in Neuroscience. 12, 548 (2018).
- Vogler, G. A., Suckow, M. A., Weisbroth, S. H., Franklin, C. L. Chapter 19 – Anesthesia and Analgesia (Second Edition). The Laboratory Rat. , 627-664 (2006).
- Schwarz, C., et al. The head-fixed behaving rat–Procedures and pitfalls. Somatosensory and Mot Research. 27 (4), 131-148 (2010).
- Roh, M., Lee, K., Jang, I. S., Suk, K., Lee, M. G. Acrylic resin molding based head fixation technique in rodents. Journal of Visualized Experiments. (107), e53064 (2016).
- Ferris, C. F. Applications in awake animal magnetic resonance imaging. Frontiers in Neuroscience. 16, 854377 (2022).
- Tiran, E., et al. Transcranial functional ultrasound imaging in freely moving awake mice and anesthetized young rats without contrast agent. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (8), 1679-1689 (2017).
- Desjardins, M., et al. Awake mouse imaging: From two-photon microscopy to blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging. Biological Psychiatry: Cognitive Neuroscience and Neuroimaging. 4 (6), 533-542 (2019).
- Koletar, M. M., Dorr, A., Brown, M. E., McLaurin, J., Stefanovic, B. Refinement of a chronic cranial window implant in the rat for longitudinal in vivo two-photon fluorescence microscopy of neurovascular function. Scientific Reports. 9, 5499 (2019).
- Drew, P. J., et al. Chronic optical access through a polished and reinforced thinned skull. Nature Methods. 7 (12), 981-984 (2010).
- Cao, R., et al. Functional and oxygen-metabolic photoacoustic microscopy of the awake mouse brain. Neuroimage. 150, 77-87 (2017).
- Grinvald, A., Frostig, R. D., Siegel, R. M., Bartfeld, E. High-resolution optical imaging of functional brain architecture in the awake monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 88 (24), 11559-11563 (1991).
- Roe, A. W. Long-term optical imaging of intrinsic signals in anesthetized and awake monkeys. Applied Optics. 46 (10), 1872-1880 (2007).
- Polley, D., Kvašňák, E., Frostig, R. Naturalistic experience transforms sensory maps in the adult cortex of caged animals. Nature. 429 (6987), 67-71 (2004).
