In vivo Positronemisjonstomografi for å avsløre aktivitetsmønstre indusert av dyp hjernestimulering hos rotter
Summary
Vi beskriver en preklinisk eksperimentell metode for å evaluere metabolsk nevromodulering indusert av akutt dyp hjernestimulering med in vivo FDG-PET. Dette manuskriptet inkluderer alle eksperimentelle trinn, fra stereotaksisk kirurgi til anvendelse av stimuleringsbehandling og innsamling, behandling og analyse av PET-bilder.
Abstract
Dyp hjernestimulering (DBS) er en invasiv nevrokirurgisk teknikk basert på anvendelse av elektriske pulser til hjernestrukturer involvert i pasientens patofysiologi. Til tross for DBS’ lange historie er aksjonsmekanismen og hensiktsmessige protokoller fortsatt uklare, noe som understreker behovet for forskning som tar sikte på å løse disse gåtene. I denne forstand representerer evaluering av in vivo-effektene av DBS ved hjelp av funksjonelle bildebehandlingsteknikker en kraftig strategi for å bestemme virkningen av stimulering på hjernens dynamikk. Her beskrives en eksperimentell protokoll for prekliniske modeller (Wistar-rotter), kombinert med en longitudinell studie [18F]-fluorodeoxyclucose positronemisjonstomografi (FDG-PET), for å vurdere de akutte konsekvensene av DBS på hjernens metabolisme. Først gjennomgikk dyr stereotaktisk kirurgi for bilateral implantasjon av elektroder i prefrontal cortex. En post-kirurgisk datastyrt tomografi (CT) skanning av hvert dyr ble anskaffet for å verifisere elektrodeplassering. Etter en ukes rekonvalesens ble det anskaffet en første statisk FDG-PET av hvert opererte dyr uten stimulering (D1), og to dager senere (D2) ble en annen FDG-PET anskaffet mens dyr ble stimulert. For det ble elektrodene koblet til en isolert stimulator etter administrering av FDG til dyrene. Dermed ble dyrene stimulert i FDG-opptaksperioden (45 min), og registrerte de akutte effektene av DBS på hjernens metabolisme. Gitt den utforskende karakteren av denne studien, ble FDG-PET-bilder analysert ved en voxel-klok tilnærming basert på en parret T-test mellom D1- og D2-studier. Samlet sett gjør kombinasjonen av DBS og bildestudier det mulig å beskrive nevromoduleringskonsekvensene på nevrale nettverk, og til slutt bidra til å løse gåtene rundt DBS.
Introduction
Begrepet nevrostimulering omfatter en rekke forskjellige teknikker som tar sikte på å stimulere nervesystemet med et terapeutisk mål1. Blant dem skiller dyp hjernestimulering (DBS) seg ut som en av de mest utbredte nevrostimuleringsstrategiene i klinisk praksis. DBS består av stimulering av dype hjernekjerner med elektriske pulser levert av en neurostimulator, implantert direkte inn i pasientens kropp, gjennom elektroder plassert i hjernemålet som skal moduleres ved stereotaktisk kirurgi. Antall artikler som evaluerer muligheten for DBS-anvendelse ved forskjellige nevrologiske og psykiatriske lidelser, vokser kontinuerlig2, selv om bare noen av dem er godkjent av Food and Drug Association (FDA) (dvs. essensiell tremor, Parkinsons sykdom, dystoni, obsessiv-kompulsiv lidelse og medisinsk ildfast epilepsi)3 . Videre er et stort antall hjernemål og stimuleringsprotokoller under forskning for DBS-behandling av mange flere patologier enn offisielt godkjent, men ingen av dem anses som endelige. Disse inkonsekvensene i DBS-forskning og kliniske prosedyrer kan delvis skyldes mangel på full forståelse av virkningsmekanismen4. Derfor gjøres det store anstrengelser for å dechiffrere in vivo-effektene av DBS på hjernens dynamikk, ettersom hvert fremskritt, uansett hvor lite, vil bidra til å avgrense DBS-protokoller for større terapeutisk suksess.
I denne sammenheng åpner molekylære avbildningsteknikker et direkte vindu for å observere in vivo nevromodulerende effekter av DBS. Disse tilnærmingene gir muligheten til ikke bare å bestemme virkningen av DBS mens den brukes, men også å avdekke arten av konsekvensene, forhindre uønskede bivirkninger og klinisk forbedring, og til og med tilpasse stimuleringsparametere til pasientens behov5. Blant disse metodene er positronemisjonstomografi (PET) ved bruk av 2-deoksy-2-[18F]fluoro-D-glukose (FDG) av spesiell interesse fordi den gir spesifikk og sanntidsinformasjon om aktiveringstilstanden til forskjellige hjernegrupper6. Spesielt gir FDG-PET-avbildning en indirekte evaluering av nevral aktivering basert på det fysiologiske prinsippet om metabolsk kobling mellom nevroner og gliaceller6. I denne forstand har flere kliniske studier rapportert DBS-modulerte hjerneaktivitetsmønstre ved bruk av FDG-PET (se3 for gjennomgang). Likevel medfører kliniske studier lett flere ulemper ved å fokusere på pasienter, for eksempel heterogenitet eller rekrutteringsvansker, noe som sterkt begrenser deres forskningspotensial6. Denne konteksten fører forskere til å bruke dyremodeller av menneskelige forhold for å evaluere biomedisinske tilnærminger før deres kliniske oversettelse eller, hvis de allerede er brukt i klinisk praksis, for å forklare den fysiologiske opprinnelsen til terapeutiske fordeler eller bivirkninger. Til tross for de store avstandene mellom menneskelig patologi og den modellerte tilstanden hos forsøksdyr, er disse prekliniske tilnærmingene avgjørende for en sikker og effektiv overgang til klinisk praksis.
Dette manuskriptet beskriver en eksperimentell DBS-protokoll for murinemodeller, kombinert med en longitudinell FDG-PET-studie, for å vurdere de akutte konsekvensene av DBS på hjernens metabolisme. Resultatene oppnådd med denne protokollen kan bidra til å løse de intrikate modulerende mønstrene indusert på hjerneaktivitet av DBS. Derfor er det gitt en egnet eksperimentell strategi for å undersøke konsekvensene av stimulering in vivo , slik at klinikere kan forutse terapeutiske effekter under spesifikke omstendigheter og deretter tilpasse stimuleringsparametere til pasientens behov.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gitt fremskrittene i forståelsen av hjernefunksjon og nevrale nettverk involvert i patofysiologien til nevropsykiatriske lidelser, anerkjenner mer og mer forskning potensialet til DBS i et bredt spekter av nevrologisk baserte patologier2. Virkningsmekanismen for denne terapien er imidlertid fortsatt uklar. Flere teorier har forsøkt å forklare effektene oppnådd i spesifikke patologiske og stimuleringsforhold, men heterogeniteten til de foreslåtte studiene gjør det svært vanskelig å nå ende…
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 i optimaliseringen av metodikken som er beskrevet her. MLS ble støttet av Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III (prosjektnummer PI17/01766 og tilskuddsnummer BA21/0030) delfinansiert av European Regional Development Fund (ERDF), “A way to make Europe”; CIBERSAM (prosjektnummer CB07/09/0031); Delegación del Gobierno para el Plan Nacional sobre Drogas (prosjektnummer 2017/085); Fundación Mapfre; og Fundación Alicia Koplowitz. MCV ble støttet av Fundación Tatiana Pérez de Guzmán el Bueno som stipendinnehaver av denne institusjonen, og EUs fellesprogram – Neurodegenerative Disease Research (JPND). DRM ble støttet av Consejería de Educación e Investigación, Comunidad de Madrid, delfinansiert av European Social Fund “Investing in your future” (tilskuddsnummer PEJD-2018-PRE/BMD-7899). NLR ble støttet av Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañón, “Programa Intramural de Impulso a la I+D+I 2019”. MD-arbeidet ble støttet av Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) og Instituto de Salud Carlos III (ISCIII) (PT20/00044). CNIC støttes av 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).
