Получение данных функциональной магнитно-резонансной томографии в состоянии покоя у крысы
Summary
Данный протокол описывает способ получения данных функциональной магнитно-резонансной томографии (rs-fMRI) в состоянии покоя от крысы с использованием низкой дозы изофлурана в сочетании с низкой дозой дексмедетомидина.
Abstract
Функциональная магнитно-резонансная томография в состоянии покоя (rs-fMRI) становится все более популярным методом изучения функции мозга в состоянии покоя, без задачи. Этот протокол описывает доклинический метод выживания для получения данных rs-fMRI. Сочетание низких доз изофлурана с непрерывной инфузией агониста адренергических рецепторов α2 дексмедетомидина обеспечивает надежный вариант для стабильного, высококачественного сбора данных при сохранении функции сети мозга. Кроме того, эта процедура позволяет спонтанно дышать и почти нормальную физиологию у крыс. Дополнительные последовательности визуализации могут быть объединены с получением состояния покоя, создавая экспериментальные протоколы с анестезирующей стабильностью до 5 ч с использованием этого метода. Этот протокол описывает настройку оборудования, мониторинг физиологии крыс во время четырех различных фаз анестезии, получение сканов состояния покоя, оценку качества данных, восстановление животного и краткое обсуждение анализа данных после обработки. Этот протокол может быть использован в широком спектре доклинических моделей грызунов, чтобы помочь выявить результирующие изменения сети мозга, которые происходят в состоянии покоя.
Introduction
Функциональная магнитно-резонансная томография в состоянии покоя (rs-fMRI) является мерой сигнала, зависящего от уровня кислорода в крови (BOLD), когда мозг находится в состоянии покоя и не занимается какой-либо конкретной задачей. Эти сигналы могут быть использованы для измерения корреляций между областями мозга для определения функциональной связности в нейронных сетях. rs-fMRI широко используется в клинических исследованиях из-за ее неинвазивности и низкого количества усилий, требуемых от пациентов (по сравнению с фМРТ на основе задач), что делает ее оптимальной для различных групп пациентов1.
Технологические достижения позволили адаптировать rs-fMRI для использования в моделях грызунов для выявления механизмов, лежащих в основе болезненных состояний (см. ссылку2 для обзора). Доклинические модели на животных, включая модели болезней или нокаутов, допускают широкий спектр экспериментальных манипуляций, не применимых к людям, и исследования могут также использовать посмертные образцы для дальнейшего улучшения экспериментов2. Тем не менее, из-за сложности как в ограничении движения, так и в смягчении стресса, МРТ-сбор у грызунов традиционно выполняется под наркозом. Анестетики, в зависимости от их фармакокинетики, фармакодинамики и молекулярных мишеней, влияют на мозговой кровоток, метаболизм мозга и потенциально влияют на пути нервно-сосудистой связи.
Были предприняты многочисленные усилия по разработке анестезирующих протоколов, которые сохраняют нейрососудистую связь и функцию сети мозга3,4,5,6,7,8. Ранее мы сообщали об анестезирующей схеме, в котором применялась низкая доза изофлурана вместе с низкой дозой агониста адренергических рецепторовα 2 дексмедетомидина9. Крысы при этом методе анестезии демонстрировали устойчивые bold-ответы на стимуляцию усов в областях, согласующихся с установленными проекционными путями (вентролатеральные и вентромедиальные таламические ядра, первичная и вторичная соматосенсорная кора); также последовательно обнаруживали крупномасштабные сети мозга с состоянием покоя, включая сети10,11 режима по умолчанию и сеть12 в режиме покоя. Кроме того, этот протокол анестетика позволяет проводить повторную визуализацию на одном и том же животном, что важно для мониторинга прогрессирования заболевания и эффекта экспериментальных манипуляций продольно.
В настоящем исследовании мы подробно описываем экспериментальную установку, подготовку животных и процедуры физиологического мониторинга. В частности, мы описываем конкретные фазы анестезии и получение сканов во время каждой фазы. Качество данных оценивается после каждого сканирования состояния покоя. Краткое резюме анализа после сканирования также включено в обсуждение. Лаборатории, заинтересованные в раскрытии потенциала использования rs-fMRI у крыс, сочтят этот протокол полезным.
Protocol
Representative Results
Discussion
Стабильность животного, как физически, так и физиологически, является ключом к получению высококачественных данных о состоянии покоя. Этот протокол достигает стабильности, проходя через четыре различные фазы анестезии. Крайне важно, чтобы животное соответствовало установленным физи?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана финансированием Национального института здравоохранения (NIH) Национального института здравоохранения (NIH) по борьбе со злоупотреблением наркотиками (NIDA) [DJW, EDKS и EMB были поддержаны грантом R21DA044501, присужденным Алану И. Грину, а DJW был поддержан грантом T32DA037202 Алану Дж. Дополнительная поддержка была оказана через фонд Алана И. Грина в качестве профессора психиатрии Раймонда Собеля в Дартмуте.
Hanbing Lu поддерживается Национальным институтом по борьбе со злоупотреблением наркотиками Intramural Research Program, NIH.
Авторы хотели бы выразить признательность и благодарность покойному Алану И. Грину. Его непоколебимая преданность области сопутствующих расстройств помогла наладить сотрудничество между авторами. Мы благодарим его за наставничество и руководство, которых будет очень не хватать.
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).
