שתלי ראש לדימות מוחי של חולדות ערות ומקובעות ראש
Summary
מתואר נוהל חדש ומפורט להדמיה תפקודית של חולדות ערות וקבועות ראש.
Abstract
חומרי הרדמה, המשמשים בדרך כלל במחקר מדעי פרה-קליני ובסיסי, משפיעים באופן דיכאוני על תפקודי חילוף החומרים, העצבים וכלי הדם במוח ויכולים להשפיע לרעה על התוצאות הנוירופיזיולוגיות. השימוש בבעלי חיים ערים למחקרים הוא יתרון, אך מציב את האתגר הגדול של שמירה על בעלי החיים רגועים ונייחים כדי למזער חפצי תנועה במהלך איסוף הנתונים. הדמיה ערה במכרסמים קטנים יותר (למשל עכברים) נפוצה מאוד, אך נשארת דלה בחולדות מכיוון שהחולדות גדולות יותר, חזקות יותר ויש להן נטייה גדולה יותר להתנגד לריסון תנועה וקיבוע ראש לאורך פרקי הזמן הארוכים הנדרשים להדמיה. מתואר מודל חדש של הדמיה מוחית של חולדות ערות ומקובעות ראש באמצעות קלעים מותאמים אישית שנתפרו ביד, שתלי ראש מודפסים בתלת-ממד, כובעי ראש ומסגרת ראש. התוצאות שהתקבלו לאחר ניסוי יחיד של גירוי שפם יחיד מצביעות על עלייה בעוצמת התגובה התפקודית המעוררת. רכישת התגובה התפקודית המעוררת מחולדות ערות ומקובעות ראש מהירה יותר מזו של חולדות מורדמות, אמינה, ניתנת לשחזור, וניתן להשתמש בה למחקרי אורך חוזרים.
Introduction
רוב חקירות הדימות המוחי המדעיות הבסיסיות, הפרה-קליניות והתרגומיות נרכשות מבעלי חיים מורדמים 1,2. חומרי הרדמה מקלים על הניסויים אך משפיעים ללא הרף על חילוף החומרים במוח ובגוף, לחץ הדם וקצב הלב3. סוג ההרדמה ומשך ומסלול מתן הנתונים מוסיפים משתנים מבלבלים לפרשנות הנתונים שיכולים לתרום לכשלים בשחזור ובתרגום4. צוואר בקבוק עיקרי של מחקרי דימות מוחי של חולדות ערות וקבועות ראש הוא הדרישה לשמור על החולדה נייחת ורגועה לאורך כל תהליכי ההכנה ורכישת הנתונים. תנועות קטנות מייצרות תוצרי תנועה לא מוצדקים, שיכולים להשפיע לרעה על ניתוח נתונים ופרשנויות.
פותח מודל חדש של דימות מוחי מחולדות ערות ומקובעות ראש באמצעות קלעים מותאמים אישית, שתלי ראש מודפסים בתלת ממד (3D), כובעי ראש ומסגרת ראש המציעה מספר יתרונות לניסויים קלים. שתל הראש התלת-ממדי קל ומכסה חלק קטן מהגולגולת הדרושה לטרנספיקציה. שתלי הראש והכובעים המודפסים בתלת-ממד מתוכננים באמצעות תוכנת תכנון בעזרת מחשב (CAD). הפרוטוקולים של גירוי שפם, איסוף נתונים, ניתוח נתונים ותוצאות מחולדות מורדמות תוארו בפירוט בעבודה קודמת 5,6,7.
Protocol
Representative Results
Discussion
השימוש בהדמיית חולדות ערה וקבועה ראש מציע יתרונות רבים מבחינת קלות והתאמה אישית. הקלעים שתוכננו בהתאמה אישית מאפשרים לעטוף את החולדות באמצעות חומר רשת נושם, ומבטלים את הצורך לעטוף בעלי חיים בתאי ריסון סגורים מפלסטיק לפרקי זמן ממושכים10,11. חולדות נשמרות רגו?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לקלרה ג’ונס, ג’יימס סטירוואלט, לין הואנג, ג’ון הא הצעיר ואמירסוהיל זארה על עזרתם במהלך אימון החולדות והכנת הקלעים. המימון ניתן על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH, מספר מענק: NS119852) וקרן לדוק (מספר מענק: 15CVD02).
Materials
| Rats | Charles River | Sprague Dawley | |
| Isoflurane | Pivetal | 21295098 | General anesthetic |
| Lidocaine HCl 2% injection | Phoenix | L-2000-04 | Local anesthetic |
| Atropine sulfate injection | Vedco | 5098907512 | Help in respiration |
| Lactated Ringer's injection solution | Vedco | 50989088317 | |
| Flunixin injection | Vedco | 6064408670 | Pain management |
| Enrosite injection (Enrofloxacin 2.27%) | VetOne | 501084 | Avoid infection |
| PromAce injection (Acepromazine maleate) | Beohringer Ingelheim | 136059 | |
| Animax ointment | Dechra Veterinary Products | 122-75 | active ingredients of nystatin 1000units per gram, neomycin sulfate 2.5mg per gram, thiostrepton 2500 units per gram, and triamcinolone acetonide 1mg per gram |
| Puralube ophthalmic ointment | Dechra Veterinary Products | 211-38 | |
| Povidone-iodine PVP prep pads | Medline | MDS093917 | Betadine generic |
| Isopropyl alcohol swabs | BD | 326895 | |
| Vetbond tissue adhesive | 3M | 1469SB | |
| Bur (drill bit), standard operatory carbide | SS White Burs | 14829 | #3 bur |
| Screws, 00-90 x 1/8 flat head stainless steel | J.I. Morris | F0090CE125 | Anchor screws |
| Stereotaxic system | Kopf Instruments | 1430 | |
| Homeothermic heating blanket | Harvard Apparatus | 50-7220-F | |
| Pulse oximeter & heart rate monitor | Kent Scientific | MouseStat Jr. | |
| Petrolatum | Fisher Scientific | P66-1LB | Vaseline generic |
| Wire, bare copper | Fisher Scientific | 15-545-2C | 20 gauge |
| Teets Cold Cure powder | Pearson Dental | C73-0054 | active ingredient: Methyl Methacrylate |
| Teets Cold Cure liquid | Pearson Dental | C73-0078 | active ingredient: Methyl Methacrylate |
| Silicone mold rubber | Smooth-On | Body Double Fast | silicon polymer |
| Metricide 28 (Germicide) | Metrex | Oct-05 | |
| India ink, black | Pelikan | 301051 | |
| Dental drill | NSK Dental | Ultimate XL-F | |
| 3D printer | Prusa Research | i3 MK3S+ | |
| Sew on fasteners | Velcro | 90030 | |
| Pet screening utility fabric | Joann | 10173334 | Netting material |
| Bur (drill bit), standard operatory carbide | SS White Burs | 14829 | #1 bur |
Referências
- Cicero, L., Fazzotta, S., Palumbo, V. D., Cassata, G., Lo Monte, A. I. Anesthesia protocols in laboratory animals used for scientific purposes. Acta Biomedica. 89 (3), 337-342 (2018).
- Lythgoe, M. F., Sibson, N. R., Harris, N. G. Neuroimaging of animal models of brain disease. British Medical Bulletin. 65, 235-257 (2003).
- Albrecht, M., Henke, J., Tacke, S., Markert, M., Guth, B. Influence of repeated anaesthesia on physiological parameters in male Wistar rats: A telemetric study about isoflurane, ketamine-xylazine and a combination of medetomidine, midazolam and fentanyl. BMC Veterinary Research. 10, 310 (2014).
- Uhlig, C., Krause, H., Koch, T., Gama de Abreu, M., Spieth, P. M. Anesthesia and monitoring in small laboratory mammals used in anesthesiology, respiratory and critical care research: A systematic review on the current reporting in top-10 impact factor ranked journals. PLoS One. 10 (8), 0134205 (2015).
- Chen-Bee, C. H., et al. Visualizing and quantifying evoked cortical activity assessed with intrinsic signal imaging. Journal of Neuroscience Methods. 97 (2), 157-173 (2000).
- Chen-Bee, C. H., Agoncillo, T., Xiong, Y., Frostig, R. D. The triphasic intrinsic signal: Implications for functional imaging. The Journal of Neuroscience. 27 (17), 4572-4586 (2007).
- Chen-Bee, C. H., Agoncillo, T., Lay, C. C., Frostig, R. D. Intrinsic signal optical imaging of brain function using short stimulus delivery intervals. Journal of Neuroscience Methods. 187 (2), 171-182 (2010).
- Scott, B. B., Brody, C. D., Tank, D. W. Cellular Resolution Functional Imaging in Behaving Rats Using Voluntary Head Restraint. Neuron. 80 (2), 371-384 (2013).
- Frostig, R. D., Lieke, E. E., Ts’o, D. Y., Grinvald, A. Cortical functional architecture and local coupling between neuronal activity and the microcirculation revealed by in vivo high-resolution optical imaging of intrinsic signals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (16), 6082-6086 (1990).
- Chang, P. C., et al. Novel method for functional brain imaging in awake minimally restrained rats. Journal of Neurophysiology. 116 (1), 61-80 (2016).
- Stenroos, P., et al. Awake rat brain functional magnetic resonance imaging using standard radio frequency coils and a 3D printed restraint kit. Frontiers in Neuroscience. 12, 548 (2018).
- Vogler, G. A., Suckow, M. A., Weisbroth, S. H., Franklin, C. L. Chapter 19 – Anesthesia and Analgesia (Second Edition). The Laboratory Rat. , 627-664 (2006).
- Schwarz, C., et al. The head-fixed behaving rat–Procedures and pitfalls. Somatosensory and Mot Research. 27 (4), 131-148 (2010).
- Roh, M., Lee, K., Jang, I. S., Suk, K., Lee, M. G. Acrylic resin molding based head fixation technique in rodents. Journal of Visualized Experiments. (107), e53064 (2016).
- Ferris, C. F. Applications in awake animal magnetic resonance imaging. Frontiers in Neuroscience. 16, 854377 (2022).
- Tiran, E., et al. Transcranial functional ultrasound imaging in freely moving awake mice and anesthetized young rats without contrast agent. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (8), 1679-1689 (2017).
- Desjardins, M., et al. Awake mouse imaging: From two-photon microscopy to blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging. Biological Psychiatry: Cognitive Neuroscience and Neuroimaging. 4 (6), 533-542 (2019).
- Koletar, M. M., Dorr, A., Brown, M. E., McLaurin, J., Stefanovic, B. Refinement of a chronic cranial window implant in the rat for longitudinal in vivo two-photon fluorescence microscopy of neurovascular function. Scientific Reports. 9, 5499 (2019).
- Drew, P. J., et al. Chronic optical access through a polished and reinforced thinned skull. Nature Methods. 7 (12), 981-984 (2010).
- Cao, R., et al. Functional and oxygen-metabolic photoacoustic microscopy of the awake mouse brain. Neuroimage. 150, 77-87 (2017).
- Grinvald, A., Frostig, R. D., Siegel, R. M., Bartfeld, E. High-resolution optical imaging of functional brain architecture in the awake monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 88 (24), 11559-11563 (1991).
- Roe, A. W. Long-term optical imaging of intrinsic signals in anesthetized and awake monkeys. Applied Optics. 46 (10), 1872-1880 (2007).
- Polley, D., Kvašňák, E., Frostig, R. Naturalistic experience transforms sensory maps in the adult cortex of caged animals. Nature. 429 (6987), 67-71 (2004).
