In vivo Positronemissionstomografi för att avslöja aktivitetsmönster inducerade av djup hjärnstimulering hos råttor
Summary
Vi beskriver en preklinisk experimentell metod för att utvärdera metabolisk neuromodulering inducerad av akut djup hjärnstimulering med in vivo FDG-PET. Detta manuskript innehåller alla experimentella steg, från stereotaxisk kirurgi till tillämpning av stimuleringsbehandlingen och förvärv, bearbetning och analys av PET-bilder.
Abstract
Djup hjärnstimulering (DBS) är en invasiv neurokirurgisk teknik baserad på tillämpningen av elektriska pulser på hjärnstrukturer som är involverade i patientens patofysiologi. Trots DBS långa historia är dess verkningsmekanism och lämpliga protokoll fortfarande oklara, vilket belyser behovet av forskning som syftar till att lösa dessa gåtor. I den meningen representerar utvärdering av in vivo-effekterna av DBS med hjälp av funktionella bildtekniker en kraftfull strategi för att bestämma effekten av stimulering på hjärndynamiken. Här beskrivs ett experimentellt protokoll för prekliniska modeller (Wistar-råttor), kombinerat med en longitudinell studie [18F]-fluorodeoxyclucose positronemissionstomografi (FDG-PET), för att bedöma de akuta konsekvenserna av DBS på hjärnans ämnesomsättning. Först genomgick djur stereotaktisk kirurgi för bilateral implantation av elektroder i prefrontal cortex. En postkirurgisk datortomografi (CT) -skanning av varje djur förvärvades för att verifiera elektrodplacering. Efter en veckas återhämtning förvärvades en första statisk FDG-PET för varje opererat djur utan stimulering (D1), och två dagar senare (D2) förvärvades en andra FDG-PET medan djuren stimulerades. För det var elektroderna anslutna till en isolerad stimulator efter administrering av FDG till djuren. Således stimulerades djuren under FDG-upptagningsperioden (45 min) och registrerade de akuta effekterna av DBS på hjärnans ämnesomsättning. Med tanke på den utforskande karaktären hos denna studie analyserades FDG-PET-bilder med ett voxelmässigt tillvägagångssätt baserat på ett parat T-test mellan D1- och D2-studier. Sammantaget gör kombinationen av DBS- och bildstudier det möjligt att beskriva neuromodulationskonsekvenserna på neurala nätverk, vilket i slutändan hjälper till att avslöja gåtorna kring DBS.
Introduction
Termen neurostimulering omfattar ett antal olika tekniker som syftar till att stimulera nervsystemet med ett terapeutiskt mål1. Bland dem framträder djup hjärnstimulering (DBS) som en av de mest utbredda neurostimuleringsstrategierna i klinisk praxis. DBS består av stimulering av djupa hjärnkärnor med elektriska pulser som levereras av en neurostimulator, implanterad direkt i patientens kropp, genom elektroder placerade i hjärnmålet som ska moduleras genom stereotaktisk kirurgi. Antalet artiklar som utvärderar genomförbarheten av DBS-ansökan vid olika neurologiska och psykiatriska störningar växer kontinuerligt2, även om endast några av dem har godkänts av Food and Drug Association (FDA) (dvs. essentiell tremor, Parkinsons sjukdom, dystoni, tvångssyndrom och medicinskt eldfast epilepsi)3 . Dessutom är ett stort antal hjärnmål och stimuleringsprotokoll under forskning för DBS-behandling av många fler patologier än officiellt godkända, men ingen av dem anses vara definitiva. Dessa inkonsekvenser i DBS-forskning och kliniska förfaranden kan delvis bero på brist på fullständig förståelse för dess verkningsmekanism4. Därför görs enorma ansträngningar för att dechiffrera in vivo-effekterna av DBS på hjärndynamiken, eftersom varje framsteg, hur litet det än är, kommer att hjälpa till att förfina DBS-protokoll för större terapeutisk framgång.
I detta sammanhang öppnar molekylära avbildningstekniker ett direkt fönster för att observera in vivo neuromodulerande effekter av DBS. Dessa tillvägagångssätt ger möjlighet att inte bara bestämma effekterna av DBS medan den tillämpas utan också att avslöja arten av dess konsekvenser, förhindra oönskade biverkningar och klinisk förbättring och till och med anpassa stimuleringsparametrar till patientens behov5. Bland dessa metoder är positronemissionstomografi (PET) med användning av 2-deoxi-2-[18F] fluor-D-glukos (FDG) av särskilt intresse eftersom det ger specifik information i realtid om aktiveringstillståndet för olika hjärnregioner6. Specifikt ger FDG-PET-avbildning en indirekt utvärdering av neural aktivering baserat på den fysiologiska principen om metabolisk koppling mellan neuroner och gliaceller6. I den meningen har flera kliniska studier rapporterat DBS-modulerade hjärnaktivitetsmönster med FDG-PET (se3 för granskning). Icke desto mindre medför kliniska studier lätt flera nackdelar när man fokuserar på patienter, såsom heterogenitet eller rekryteringssvårigheter, vilket starkt begränsar deras forskningspotential6. Detta sammanhang leder forskare att använda djurmodeller av mänskliga tillstånd för att utvärdera biomedicinska tillvägagångssätt före deras kliniska översättning eller, om de redan tillämpas i klinisk praxis, för att förklara det fysiologiska ursprunget till terapeutiska fördelar eller biverkningar. Således, trots de stora avstånden mellan mänsklig patologi och det modellerade tillståndet hos laboratoriedjur, är dessa prekliniska tillvägagångssätt väsentliga för en säker och effektiv övergång till klinisk praxis.
Detta manuskript beskriver ett experimentellt DBS-protokoll för murina modeller, kombinerat med en longitudinell FDG-PET-studie, för att bedöma de akuta konsekvenserna av DBS på hjärnans ämnesomsättning. De resultat som erhålls med detta protokoll kan hjälpa till att avslöja de invecklade modulerande mönster som induceras på hjärnaktivitet av DBS. Därför tillhandahålls en lämplig experimentell strategi för att undersöka in vivo konsekvenserna av stimulering, vilket gör det möjligt för kliniker att förutse terapeutiska effekter under specifika omständigheter och sedan anpassa stimuleringsparametrar till patientens behov.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med tanke på framstegen i förståelsen av hjärnans funktion och de neurala nätverk som är involverade i patofysiologin för neuropsykiatriska störningar, erkänner mer och mer forskning potentialen för DBS i ett brett spektrum av neurologiskt baserade patologier2. Verkningsmekanismen för denna terapi är emellertid fortfarande oklar. Flera teorier har försökt förklara effekterna som erhållits under specifika patologiska och stimuleringsförhållanden, men heterogeniteten i de föreslag…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco och Yolanda Sierra för deras ovärderliga stöd i optimeringen av den metod som beskrivs här. MLS stöddes av Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (projektnummer PI17/01766 och bidragsnummer BA21/0030) som medfinansierades av Europeiska regionala utvecklingsfonden (ERUF), “Ett sätt att skapa Europa”. CIBERSAM (projektnummer CB07/09/0031). Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (projektnummer 2017/085); Fundación Mapfre; och Fundación Alicia Koplowitz. MCV stöddes av Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno som stipendiat för denna institution och EU: s gemensamma program – Neurodegenerativ sjukdomsforskning (JPND). DRM stöddes av Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, medfinansierat av Europeiska socialfonden “Investing in your future” (bidragsnummer PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR stöddes av Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. MD-arbetet stöddes av Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) och Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) (PT20/00044). CNIC stöds av Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) och Pro CNIC Foundation, och är ett Severo Ochoa Center of Excellence (SEV-2015-0505).
Materials
| 7-Tesla Biospec 70/20 scanner | Bruker, Germany | SN0021 | MRI scanner for small animal imaging |
| Betadine | Meda Pharma S.L., Spain | 644625.6 | Iodine solution (iodopovidone) |
| Beurer IL 11 | Beurer | SN87318 | Infra-red light |
| Bipolar cable 50 cm w/50 cm mesh covering up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-305 (CM) | |
| Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm | Plastics One, USA | 305-340/2 | Bipolar cable TT2 50 cm up to 100 cm |
| Buprex | Schering-Plough, S.A | 961425 | Buprenorphine (analgesic) |
| Ceftriaxona Reig Jofré 1g IM | Laboratorio Reig Jofré S.A., Spain | 624239.1 | Ceftriaxone (antibiotic) |
| Commutator | Plastics One, USA | SL2+2C | 4 Channel Commutator for DBS |
| Concentric bipolar platinum-iridium electrodes | Plastics One, USA | MS303/8-AIU/Spc | Electrodes for DBS |
| Driller | Bosh | T58704 | Driller |
| FDG | Curium Pharma Spain S.A., Spain | —– | 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (PET radiotracer) |
| Heating pad | DAGA, Spain | 23115 | Heating pad |
| Ketolar | Pfizer S.L., Spain | 776211.9 | Ketamine (anesthetic drug) |
| Lipolasic 2 mg/g | Bausch & Lomb S.A, Spain | 65277 | Ophthalmic lubricating gel |
| MatLab R2021a | The MathWorks, Inc | Support software for SPM12 | |
| MRIcro | McCausland Center for Brain Imaging, University of South Carolina, USA | v2.1.58-0 | Software for imaging preprocessing and analysis |
| Multimodality Workstation (MMWKS) | BiiG, Spain | Software for imaging processing and analysis | |
| Omicrom VISION VET | RGB Medical Devices, Spain | 731100 ReV B | Cardiorrespiratory monitor for small imaging |
| Prevex Cotton buds | Prevex, Finland | —– | Cotton buds |
| Sevorane | AbbVie Spain, S.L.U, Spain | 673186.4 | Sevoflurane (inhalatory anesthesia) |
| Small screws | Max Witte GmbH | 1,2 x 2 DIN 84 A2 | Small screws |
| Standard U-Frame Stereotaxic Instrument for Rat, 18° Ear Bar | Harvard Apparatus, USA | 75-1801 | Two-arms Stereotactic frame for rat |
| Statistical Parametric Mapping (SPM12) | The Wellcome Center for Human Neuroimaging, UCL Queen Square Institute of Neurology, UK | SPM12 | Software for voxel-wise imaging analysis |
| STG1004 | Multi Channel Systems GmbH, Germany | STG1004 | Isolated stimulator |
| SuperArgus PET/CT scanner | Sedecal, Spain | S0026403 | NanoPET/CT scanner for small animal imaging |
| Suture thread with needle, 1/º | Lorca Marín S.A., Spain | 55325 | Braided natural silk non-absorbable suture 1/0, with triangle needle |
| Technovit 4004 (powder and liquid) | Kulzer Technique, Germany | 64708471; 64708474 | Acrylic dental cement for craniotomy tap |
| Wistar rats (Rattus norvergicus) | Charles River, Spain | animal facility | Animal model used |
| Xylagesic | Laboratorios Karizoo, A.A, Spain | 572599-4 | Xylazine (anesthetic drug) |
| Normon S.A., Spain | 602910 | Mepivacaine in gel for topical use |
References
- Gildenberg, P. L. Neuromodulation: A historical perspective. Neuromodulation. 1, 9-20 (2009).
- Lee, D. J., Lozano, C. S., Dallapiazza, R. F., Lozano, A. M. Current and future directions of deep brain stimulation for neurological and psychiatric disorders. Journal of Neurosurgery. 131 (2), 333-342 (2019).
- Casquero-Veiga, M. Preclinical molecular neuroimaging in deep brain stimulation. Complutense University of Madrid. , (2021).
- Blaha, C. D. Theories of deep brain stimulation mechanisms. Deep Brain Stimulation: Indictions and Applications. , 314-338 (2016).
- Fins, J. J. Deep brain stimulation: Ethical issues in clinical practice and neurosurgical research. Neuromodulation. 1, 81-91 (2009).
- Desmoulin-Canselier, S., Moutaud, B. Animal models and animal experimentation in the development of deep brain stimulation: From a specific controversy to a multidimensional debate. Frontiers in Neuroanatomy. 13, 51 (2019).
- Casquero-Veiga, M., Hadar, R., Pascau, J., Winter, C., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Response to deep brain stimulation in three brain targets with implications in mental disorders: A PET study in rats. PLOS One. 11 (12), 0168689 (2016).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Understanding deep brain stimulation: In vivo metabolic consequences of the electrode insertional effect. BioMed Research International. 2018, 1-6 (2018).
- Casquero-Veiga, M., García-García, D., Pascau, J., Desco, M., Soto-Montenegro, M. L. Stimulating the nucleus accumbens in obesity: A positron emission tomography study after deep brain stimulation in a rodent model. PLOS One. 13 (9), 0204740 (2018).
- Pascau, J., Vaquero, J. J., Abella, M., Cacho, R., Lage, E., Desco, M. Multimodality workstation for small animal image visualization and analysis. Scientific Papers. Molecular Imaging and Biology. 8, 97-98 (2006).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Roy, M., et al. A dual tracer PET-MRI protocol for the quantitative measure of regional brain energy substrates uptake in the rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (82), e50761 (2013).
- Klein, J., et al. A novel approach to investigate neuronal network activity patterns affected by deep brain stimulation in rats. Journal of Psychiatric Research. 45 (7), 927-930 (2011).
- Soto-Montenegro, M. L., Pascau, J., Desco, M. Response to deep brain stimulation in the lateral hypothalamic area in a rat model of obesity: In vivo assessment of brain glucose metabolism. Molecular Imaging and Biology. , 830-837 (2014).
- Pascau, J., et al. Automated method for small-animal PET image registration with intrinsic validation. Molecular Imaging and Biology. 11 (2), 107-113 (2009).
- Andersson, J. L. R. How to estimate global activity independent of changes in local activity. Neuroimage. 244 (60), 237-244 (1997).
- . Wellcome Trust Centre for Neuroimaging SPM12-Statitstical Parametric Mapping Available from: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ (2022)
- Lozano, A. M., et al. Deep brain stimulation: current challenges and future directions. Nature Reviews Neurology. 15 (3), (2019).
- Boecker, H., Drzezga, A. A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science. NeuroImage. 131, (2016).
- Sprengers, M., et al. Deep brain stimulation reduces evoked potentials with a dual time course in freely moving rats: Potential neurophysiological basis for intermittent as an alternative to continuous stimulation. Epilepsia. 61 (5), 903-913 (2020).
- Middlebrooks, E. H., et al. Acute brain activation patterns of high- versus low-frequency stimulation of the anterior nucleus of the thalamus during deep brain stimulation for epilepsy. Neurosurgery. 89 (5), 901-908 (2021).
- Ashkan, K., Rogers, P., Bergman, H., Ughratdar, I. Insights into the mechanisms of deep brain stimulation. Nature Reviews Neurology. 13 (9), 548-554 (2017).
- Williams, N. R., Taylor, J. J., Lamb, K., Hanlon, C. A., Short, E. B., George, M. S. Role of functional imaging in the development and refinement of invasive neuromodulation for psychiatric disorders. World Journal of Radiology. 6 (10), 756-778 (2014).
- Rodman, A. M., Dougherty, D. D. . Nuclear medicine in neuromodulation. Neuromodulation in Psychiatry. , 81-99 (2016).
- Albaugh, D. L., Shih, Y. -. Y. I. Neural circuit modulation during deep brain stimulation at the subthalamic nucleus for Parkinson’s disease: what have we learned from neuroimaging studies. Brain Connectivity. 4 (1), 1-14 (2014).
- Mayberg, H. S., et al. Reciprocal limbic-cortical function and negative mood: Converging PET findings in depression and normal sadness. Neurology, and Radiology. 156 (5), 675-682 (1999).
- Kennedy, S. H., et al. Differences in brain glucose metabolism between responders to CBT and Venlafaxine in a 16-week randomized controlled trial. American Journal of Psychiatry. 164 (5), 778-788 (2007).
- Kennedy, S. H., et al. Changes in regional brain glucose metabolism measured with positron emission tomography after paroxetine treatment of major depression. American Journal of Psychiatry. 158 (6), 899-905 (2001).
- Brown, E. C., Clark, D. L., Forkert, N. D., Molnar, C. P., Kiss, Z. H. T., Ramasubbu, R. Metabolic activity in subcallosal cingulate predicts response to deep brain stimulation for depression. Neuropsychopharmacology. 45, 1681-1688 (2020).
- Klooster, D. C. W., et al. Technical aspects of neurostimulation: Focus on equipment, electric field modeling, and stimulation protocols. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 65, 113-141 (2016).
- Kasoff, W., Gross, R. E. Deep brain stimulation: Introduction and Technical Aspects. Neuromodulation in Psychiatry. , 245-275 (2016).
- Perez-Caballero, L., et al. Early responses to deep brain stimulation in depression are modulated by anti-inflammatory drugs. Molecular Psychiatry. 19, 607-614 (2014).
- Solera Ruiz, I., UñaOrejón, R., Valero, I., Laroche, F. Craniotomy in the conscious patient. Considerations in special situations. Spanish Journal of Anesthesiology and Resuscitation. 60 (7), 392-398 (2013).
- Casali, M., et al. State of the art of 18F-FDG PET/CT application in inflammation and infection: a guide for image acquisition and interpretation. Clinical and Translational Imaging. 9 (4), 299-339 (2021).
- Gonzalez-Escamilla, G., Muthuraman, M., Ciolac, D., Coenen, V. A., Schnitzler, A., Groppa, S. Neuroimaging and electrophysiology meet invasive neurostimulation for causal interrogations and modulations of brain states. NeuroImage. 220, 117144 (2020).
