Acquisizione dei dati di risonanza magnetica funzionale a riposo nel ratto
Summary
Questo protocollo descrive un metodo per ottenere dati stabili di risonanza magnetica funzionale (rs-fMRI) allo stato di riposo da un ratto utilizzando isoflurano a basso dosaggio in combinazione con dexmedetomidina a basso dosaggio.
Abstract
La risonanza magnetica funzionale allo stato di riposo (rs-fMRI) è diventata un metodo sempre più popolare per studiare la funzione cerebrale in uno stato di riposo, non di attività. Questo protocollo descrive un metodo di sopravvivenza preclinica per ottenere dati rs-fMRI. La combinazione di isoflurano a basso dosaggio con infusione continua dell’agonista del recettore adrenergico α2 dexmedetomidina fornisce un’opzione robusta per un’acquisizione dati stabile e di alta qualità preservando la funzione della rete cerebrale. Inoltre, questa procedura consente la respirazione spontanea e la fisiologia quasi normale nel ratto. Ulteriori sequenze di imaging possono essere combinate con l’acquisizione dello stato di riposo creando protocolli sperimentali con stabilità anestetica fino a 5 ore utilizzando questo metodo. Questo protocollo descrive la configurazione delle apparecchiature, il monitoraggio della fisiologia del ratto durante quattro fasi distinte dell’anestesia, l’acquisizione di scansioni dello stato di riposo, la valutazione della qualità dei dati, il recupero dell’animale e una breve discussione dell’analisi dei dati post-elaborazione. Questo protocollo può essere utilizzato in un’ampia varietà di modelli di roditori preclinici per aiutare a rivelare i cambiamenti della rete cerebrale risultanti che si verificano a riposo.
Introduction
La risonanza magnetica funzionale allo stato di riposo (rs-fMRI) è una misura del segnale dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) quando il cervello è a riposo e non impegnato in alcun compito particolare. Questi segnali possono essere utilizzati per misurare le correlazioni tra le regioni del cervello per determinare la connettività funzionale all’interno delle reti neurali. rs-fMRI è ampiamente utilizzato negli studi clinici a causa della sua non invasività e della bassa quantità di sforzo richiesto ai pazienti (rispetto alla fMRI basata su attività) che lo rende ottimale per diverse popolazioni dipazienti 1.
I progressi tecnologici hanno permesso di adattare rs-fMRI per l’uso in modelli di roditori per scoprire i meccanismi alla base degli stati di malattia (vedi riferimento2 per la revisione). I modelli animali preclinici, compresi i modelli di malattia o knockout, consentono una vasta gamma di manipolazioni sperimentali non applicabili nell’uomo e gli studi possono anche utilizzare campioni post-mortem per migliorare ulteriormente gli esperimenti2. Tuttavia, a causa della difficoltà sia nel limitare il movimento che nel mitigare lo stress, l’acquisizione della risonanza magnetica nei roditori viene tradizionalmente eseguita in anestesia. Gli agenti anestetici, a seconda della loro farmacocinetica, farmacodinamica e bersagli molecolari, influenzano il flusso sanguigno cerebrale, il metabolismo cerebrale e potenzialmente influenzano le vie di accoppiamento neurovascolare.
Ci sono stati numerosi sforzi per sviluppare protocolli anestetici che preservino l’accoppiamento neurovascolare e la funzione della retecerebrale3,4,5,6,7,8. In precedenza abbiamo riportato un regime anestetico che applicava una bassa dose di isoflurano insieme a una bassa dose dell’agonista del recettore adrenergico α2 dexmedetomidina9. I ratti con questo metodo di anestesia hanno mostrato robuste risposte BOLD alla stimolazione dei baffi in regioni coerenti con le vie di proiezione stabilite (nuclei talamici ventrolaterali e ventromediali, corteccia somatosensoriale primaria e secondaria); sono state rilevate in modo coerente anche reti cerebrali a riposo su larga scala, tra cui la rete in modalità predefinita10,11 e la rete di salienza12. Inoltre, questo protocollo anestetico consente l’imaging ripetuto sullo stesso animale, che è importante per monitorare longitudinalmente la progressione della malattia e l’effetto delle manipolazioni sperimentali.
Nel presente studio, descriviamo in dettaglio la configurazione sperimentale, la preparazione degli animali e le procedure di monitoraggio fisiologico coinvolte. In particolare, descriviamo le fasi anestetiche specifiche e l’acquisizione delle scansioni durante ogni fase. La qualità dei dati viene valutata dopo ogni scansione a riposo. Nella discussione è incluso anche un breve riepilogo dell’analisi post-scansione. I laboratori interessati a scoprire il potenziale dell’uso di rs-fMRI nei ratti troveranno utile questo protocollo.
Protocol
Representative Results
Discussion
La stabilità dell’animale, sia fisicamente che fisiologicamente, è la chiave per ottenere dati di alta qualità sullo stato di riposo. Questo protocollo raggiunge la stabilità muovendosi attraverso quattro fasi distinte di anestesia. È imperativo che l’animale abbia raggiunto le soglie fisiologiche impostate prima di passare alla fase successiva dell’anestesia; poiché questo metodo si basa su meccanismi autoregolatori fisiologici, i singoli animali possono richiedere quantità di tempo leggermente diverse in ogni fa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato da finanziamenti del National Institute of Health (NIH) del National Institute on Drug Abuse (NIDA) [DJW, EDKS ed EMB sono stati supportati dalla sovvenzione R21DA044501 assegnata ad Alan I. Green e DJW sono stati supportati da Grant T32DA037202 ad Alan J. Budney] e dal National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism (NIAAA) [Grant F31AA028413 a Emily D. K. Sullivan]. Un ulteriore supporto è stato fornito attraverso il fondo di alan I. Green come Raymond Sobel Professor of Psychiatry a Dartmouth.
Hanbing Lu è supportato dal National Institute on Drug Abuse Intramural Research Program, NIH.
Gli autori desiderano riconoscere e ringraziare il compianto Alan I. Green. La sua incrollabile dedizione al campo dei disturbi concomitanti ha contribuito a stabilire la collaborazione tra gli autori. Lo ringraziamo per il suo tutoraggio e la sua guida, che ci mancherà molto.
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 |
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