In vivo Positronemissionstomografi for at afsløre aktivitetsmønstre induceret af dyb hjernestimulering hos rotter
Summary
Vi beskriver en præklinisk eksperimentel metode til at evaluere metabolisk neuromodulation induceret af akut dyb hjernestimulering med in vivo FDG-PET. Dette manuskript omfatter alle eksperimentelle trin, fra stereotaxisk kirurgi til anvendelse af stimuleringsbehandling og erhvervelse, behandling og analyse af PET-billeder.
Abstract
Dyb hjernestimulering (DBS) er en invasiv neurokirurgisk teknik baseret på anvendelse af elektriske impulser på hjernestrukturer involveret i patientens patofysiologi. På trods af DBS’s lange historie forbliver dens virkningsmekanisme og passende protokoller uklare, hvilket understreger behovet for forskning, der sigter mod at løse disse gåder. I denne forstand repræsenterer evaluering af in vivo-virkningerne af DBS ved hjælp af funktionelle billeddannelsesteknikker en stærk strategi til at bestemme virkningen af stimulering på hjernens dynamik. Her beskrives en eksperimentel protokol for prækliniske modeller (Wistar-rotter) kombineret med en langsgående undersøgelse [18F] -fluorodeoxyclucose positronemissionstomografi (FDG-PET) for at vurdere de akutte konsekvenser af DBS på hjernens metabolisme. For det første gennemgik dyr stereotaktisk kirurgi til bilateral implantation af elektroder i den præfrontale cortex. En postkirurgisk computertomografi (CT) scanning af hvert dyr blev erhvervet for at verificere elektrodeplacering. Efter en uges bedring blev der erhvervet en første statisk FDG-PET for hvert opereret dyr uden stimulering (D1), og to dage senere (D2) blev en anden FDG-PET erhvervet, mens dyr blev stimuleret. Til det blev elektroderne forbundet til en isoleret stimulator efter administration af FDG til dyrene. Således blev dyr stimuleret i løbet af FDG-optagelsesperioden (45 min), hvilket registrerede de akutte virkninger af DBS på hjernens metabolisme. I betragtning af denne undersøgelses sonderende karakter blev FDG-PET-billeder analyseret ved en voxel-klog tilgang baseret på en parret T-test mellem D1- og D2-undersøgelser. Samlet set tillader kombinationen af DBS og billeddannelsesundersøgelser at beskrive neuromodulationskonsekvenserne på neurale netværk, hvilket i sidste ende hjælper med at opklare gåderne omkring DBS.
Introduction
Udtrykket neurostimulering omfatter en række forskellige teknikker, der sigter mod at stimulere nervesystemet med et terapeutisk mål1. Blandt dem skiller dyb hjernestimulering (DBS) sig ud som en af de mest udbredte neurostimuleringsstrategier i klinisk praksis. DBS består af stimulering af dybe hjernekerner med elektriske impulser leveret af en neurostimulator, implanteret direkte i patientens krop, gennem elektroder placeret i hjernemålet, der skal moduleres ved stereotaktisk kirurgi. Antallet af artikler, der evaluerer gennemførligheden af DBS-anvendelse i forskellige neurologiske og psykiatriske lidelser, vokser kontinuerligt2, selvom kun nogle af dem er blevet godkendt af Food and Drug Association (FDA) (dvs. essentiel tremor, Parkinsons sygdom, dystoni, obsessiv-kompulsiv lidelse og medicinsk ildfast epilepsi)3 . Desuden er et stort antal hjernemål og stimuleringsprotokoller under forskning til DBS-behandling af mange flere patologier end officielt godkendt, men ingen af dem betragtes som endelige. Disse uoverensstemmelser i DBS-forskning og kliniske procedurer kan til dels skyldes manglende fuld forståelse af dens virkningsmekanisme4. Derfor gøres der en enorm indsats for at dechiffrere in vivo-virkningerne af DBS på hjernens dynamik, da ethvert fremskridt, uanset hvor lille, vil hjælpe med at forfine DBS-protokoller for større terapeutisk succes.
I denne sammenhæng åbner molekylære billeddannelsesteknikker et direkte vindue til at observere in vivo neuromodulerende virkninger af DBS. Disse tilgange giver mulighed for ikke kun at bestemme virkningen af DBS, mens den anvendes, men også at opklare arten af dens konsekvenser, forhindre uønskede bivirkninger og klinisk forbedring og endda tilpasse stimuleringsparametre til patientens behov5. Blandt disse metoder er positronemissionstomografi (PET) ved hjælp af 2-deoxy-2-[18F] fluor-D-glucose (FDG) af særlig interesse, fordi den giver specifik og realtidsinformation om aktiveringstilstanden for forskellige hjerneområder6. Specifikt giver FDG-PET-billeddannelse en indirekte evaluering af neural aktivering baseret på det fysiologiske princip om metabolisk kobling mellem neuroner og gliaceller6. I denne forstand har flere kliniske undersøgelser rapporteret DBS-modulerede hjerneaktivitetsmønstre ved hjælp af FDG-PET (se3 for gennemgang). Ikke desto mindre pådrager kliniske undersøgelser sig let flere ulemper, når de fokuserer på patienter, såsom heterogenitet eller rekrutteringsvanskeligheder, hvilket stærkt begrænser deres forskningspotentiale6. Denne sammenhæng fører forskere til at bruge dyremodeller af menneskelige tilstande til at evaluere biomedicinske tilgange før deres kliniske oversættelse eller, hvis de allerede anvendes i klinisk praksis, til at forklare den fysiologiske oprindelse af terapeutiske fordele eller bivirkninger. På trods af de store afstande mellem menneskelig patologi og den modellerede tilstand hos forsøgsdyr er disse prækliniske tilgange således afgørende for en sikker og effektiv overgang til klinisk praksis.
Dette manuskript beskriver en eksperimentel DBS-protokol for murinemodeller kombineret med en langsgående FDG-PET-undersøgelse for at vurdere de akutte konsekvenser af DBS på hjernens metabolisme. De resultater, der opnås med denne protokol, kan bidrage til at opklare de indviklede modulerende mønstre induceret af hjerneaktivitet af DBS. Derfor tilvejebringes en passende eksperimentel strategi til in vivo konsekvenserne af stimulering, så klinikere kan forudse terapeutiske virkninger under specifikke omstændigheder og derefter tilpasse stimuleringsparametre til patientens behov.
Protocol
Representative Results
Discussion
I betragtning af fremskridtene i forståelsen af hjernefunktion og de neurale netværk, der er involveret i patofysiologien af neuropsykiatriske lidelser, anerkender mere og mere forskning potentialet i DBS i en bred vifte af neurologisk baserede patologier2. Imidlertid forbliver virkningsmekanismen for denne terapi uklar. Flere teorier har forsøgt at forklare de virkninger, der er opnået under specifikke patologiske og stimulerende omstændigheder, men heterogeniteten af de foreslåede undersø…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker prof. Christine Winter, Julia Klein, Alexandra de Francisco og Yolanda Sierra for deres uvurderlige støtte til optimeringen af den her beskrevne metode. MLS blev støttet af Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (projektnummer PI17/01766 og tilskudsnummer BA21/0030), der blev medfinansieret af Den Europæiske Fond for Regionaludvikling (EFRU), “A way to make Europe”. CIBERSAM (projektnummer CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (projektnummer 2017/085) Fundación Mapfre; og Fundación Alicia Koplowitz. MCV blev støttet af Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno som stipendiatindehaver af denne institution og EU’s fælles program – Neurodegenerative Disease Research (JPND). DRM blev støttet af Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, medfinansieret af Den Europæiske Socialfond “Investering i din fremtid” (tilskudsnummer PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR blev støttet af Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. MD’s arbejde blev støttet af Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) og Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) (PT20/00044). CNIC støttes af Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) og Pro CNIC Foundation og er et 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 |
Referências
- 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).
