الحصول على Resting-الدولة وظيفية بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي في الجرذ
Summary
يصف هذا البروتوكول طريقة للحصول على بيانات مستقرة للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (rs-fMRI) من فأر باستخدام جرعة منخفضة من الأيزوفلوران بالاشتراك مع جرعة منخفضة من ديكسميدتوميدين.
Abstract
أصبح التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (rs-fMRI) طريقة شائعة بشكل متزايد لدراسة وظائف الدماغ في حالة الراحة وعدم المهمة. يصف هذا البروتوكول طريقة بقاء ما قبل السريرية للحصول على بيانات rs-fMRI. الجمع بين جرعة منخفضة isoflurane مع التسريب المستمر α2 مستقبلات الأدرينالية ناهض dexmedetomidine يوفر خيارا قويا للحصول على بيانات مستقرة وعالية الجودة مع الحفاظ على وظيفة شبكة الدماغ. وعلاوة على ذلك، يسمح هذا الإجراء للتنفس التلقائي وعلم وظائف الأعضاء شبه الطبيعي في الفئران. يمكن الجمع بين تسلسل التصوير الإضافي واكتساب حالة الراحة إنشاء بروتوكولات تجريبية مع استقرار مخدر يصل إلى 5 ساعات باستخدام هذه الطريقة. يصف هذا البروتوكول إعداد المعدات، ورصد فسيولوجيا الفئران خلال أربع مراحل متميزة من التخدير، والحصول على فحوصات حالة الراحة، وتقييم جودة البيانات، واستعادة الحيوان، ومناقشة موجزة لتحليل البيانات بعد المعالجة. يمكن استخدام هذا البروتوكول عبر مجموعة واسعة من نماذج القوارض قبل السريرية للمساعدة في الكشف عن التغيرات الناتجة في شبكة الدماغ التي تحدث في الراحة.
Introduction
يستريح الدولة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (RS-fMRI) هو مقياس للإشارة التي تعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) عندما يكون الدماغ في بقية وغير منخرط في أي مهمة معينة. ويمكن استخدام هذه الإشارات لقياس الارتباطات بين مناطق الدماغ لتحديد الاتصال الوظيفي داخل الشبكات العصبية. يستخدم rs-fMRI على نطاق واسع في الدراسات السريرية نظرا لعدم غزوه وانخفاض مقدار الجهد المطلوب من المرضى (بالمقارنة مع fMRI القائم على المهام) مما يجعله الأمثل لمختلف مجموعات المرضى1.
وقد سمح التقدم التكنولوجي بتكييف RS-fMRI للاستخدام في نماذج القوارض للكشف عن الآليات الكامنة وراء حالات المرض (انظر المرجع2 للمراجعة). تسمح النماذج الحيوانية قبل السريرية ، بما في ذلك نماذج المرض أو خروج المغلوب ، بمجموعة واسعة من التلاعب التجريبي غير المطبق على البشر ، ويمكن للدراسات أيضا الاستفادة من عينات ما بعد الوفاة لزيادة تعزيز التجارب2. ومع ذلك ، نظرا لصعوبة في كل من الحد من الحركة وتخفيف التوتر ، يتم إجراء اكتساب التصوير بالرنين المغناطيسي في القوارض تقليديا تحت التخدير. تؤثر عوامل التخدير ، اعتمادا على الدوائية ، والديناميكا الدوائية ، والأهداف الجزيئية ، على تدفق دم الدماغ ، واستقلاب الدماغ ، وربما تؤثر على مسارات اقتران الأوعية الدموية العصبية.
كانت هناك جهود عديدة لتطوير بروتوكولات التخدير التي تحافظ على اقتران الأوعية الدموية العصبية ووظيفة شبكة الدماغ3،4،5،6،7،8. أبلغنا سابقا نظام مخدر التي طبقت جرعة منخفضة من ايزوفلوران جنبا إلى جنب مع جرعة منخفضة من α2 مستقبلات الأدرينالية ناهض ديكسميديتوميدين9. الفئران تحت هذه الطريقة من التخدير أظهرت استجابات جريئة قوية لتحفيز شعيرات في المناطق بما يتفق مع مسارات الإسقاط المعمول بها (نواة الثالامي البطيني والبطيني، قشرة سوماتوسينسوري الأولية والثانوية)؛ كما تم الكشف باستمرار عن شبكات الدماغ واسعة النطاق يستريح الدولة، بما في ذلك شبكة الوضع الافتراضي10و11 وشبكة بارزة12. وعلاوة على ذلك، يسمح هذا البروتوكول مخدر للتصوير المتكرر على نفس الحيوان، وهو أمر مهم لرصد تطور المرض وتأثير التلاعب التجريبي طوليا.
في هذه الدراسة، نقوم بتفصيل الإعداد التجريبي وإعداد الحيوانات وإجراءات المراقبة الفسيولوجية المعنية. على وجه الخصوص، نحن نصف مراحل التخدير المحددة والحصول على الاشعة خلال كل مرحلة. يتم تقييم جودة البيانات بعد كل مسح حالة الراحة. كما يتضمن النقاش موجزا موجزا لتحليل ما بعد الفحص. المختبرات المهتمة في الكشف عن إمكانات استخدام RS-fMRI في الفئران سوف تجد هذا البروتوكول مفيد.
Protocol
Representative Results
Discussion
استقرار الحيوان ، جسديا وفسيولوجيا ، هو المفتاح للحصول على بيانات عالية الجودة يستريح الدولة. هذا البروتوكول يحقق الاستقرار من خلال التحرك من خلال أربع مراحل متميزة من التخدير. من الضروري أن الحيوان قد اجتمع عتبات الفسيولوجية مجموعة قبل الانتقال إلى المرحلة التالية من التخدير; وبما أن هذ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل بتمويل من المعهد الوطني للصحة (NIH) حول تعاطي المخدرات (NIDA) [DJW، تم دعم EDKS و EMB من قبل غرانت R21DA044501 الممنوح لآلان غرين وDJW بدعم من غرانت T32DA037202 إلى ألان ج. بودني] والمعهد الوطني لتعاطي الكحول وإدمان الكحول (NIAAA) [منح F31AA028413 إلى إميلي د. ك. سوليفان]. تم تقديم دعم إضافي من خلال صندوق آلان غرين الموهوب كأستاذ رايموند سوبيل للطب النفسي في دارتموث.
ويدعم هانبينغ لو من قبل المعهد الوطني لتعاطي المخدرات برنامج البحوث داخل الأم، المعاهد القومية للصحة.
ويود المؤلفان أن يعترفا بالراحل آلان غرين وأن يشكراه. وقد ساعد تفانيه الثابت في مجال الاضطرابات التي تحدث بشكل مشترك على إقامة التعاون بين المؤلفين. ونشكره على إرشاده وتوجيهه، اللذين سيفتقدان كثيرا.
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 |
References
- 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).
