覚醒した頭部固定ラットのニューロイメージングのための頭部インプラント
Summary
覚醒した頭部固定ラットの機能的イメージングのための詳細な新しい手順が記載されている。
Abstract
前臨床および基礎科学研究で一般的に使用される麻酔薬は、脳の代謝、ニューロン、および血管機能に抑うつ影響を及ぼし、神経生理学的結果に悪影響を与える可能性があります。研究研究のために覚醒している動物を使用することは有利ですが、データ収集中のモーションアーチファクトを最小限に抑えるために動物を落ち着かせて静止させるという大きな課題をもたらします。より小さなサイズのげっ歯類(マウスなど)での覚醒イメージングは非常に一般的ですが、ラットはより大きく、より強く、イメージングに必要な長時間にわたって運動拘束と頭の固定に反対する傾向があるため、ラットでは乏しいままです。カスタマイズされた手縫いのスリング、3Dプリントされたヘッドインプラント、ヘッドキャップ、およびヘッドフレームを使用した、覚醒した頭部固定ラットのニューロイメージングの新しいモデルについて説明します。シングルウィスカー刺激の単一の試行の後に得られた結果は、誘発された機能的反応の強度の増加を示唆しています。覚醒した頭部固定ラットからの誘発機能応答の獲得は、麻酔をかけたラットからのそれよりも速く、信頼性が高く、再現性があり、繰り返しの縦断的研究に使用できます。
Introduction
基礎的、前臨床的、およびトランスレーショナルな科学的ニューロイメージング調査のほとんどは、麻酔をかけられた動物から取得されます1,2。麻酔薬は実験を容易にしますが、脳と体の代謝、血圧、心拍数に継続的に影響を与えます3。麻酔薬の種類と投与期間と投与経路は、再現性と翻訳障害に寄与する可能性のある交絡変数をデータ解釈に追加します4。覚醒、頭部固定ラットの神経画像研究の主なボトルネックは、準備およびデータ収集プロセス全体を通してラットを静止させ、落ち着かせ続ける必要があることです。小さな動きは不当なモーションアーティファクトを生成し、データの分析と解釈に悪影響を与える可能性があります。
カスタマイズされたスリング、3次元(3D)プリントされたヘッドインプラント、ヘッドキャップ、およびヘッドフレームを使用した、覚醒した頭部固定ラットからのニューロイメージングの新しいモデルが考案され、実験が容易になるいくつかの利点があります。3Dヘッドインプラントは軽量で、トランスフィックスに必要な頭蓋骨のごく一部をカバーしています。3Dプリントされたヘッドインプラントとキャップは、コンピューター支援設計(CAD)ソフトウェアを使用して設計されています。ウィスカ刺激、データ取得、データ分析、および麻酔をかけたラットからの結果のプロトコルは、以前の研究5、6、7で詳細に説明されています。
Protocol
すべての手順は国立衛生研究所のガイドラインに準拠しており、カリフォルニア大学アーバイン校の動物管理および使用委員会によって承認されています。この研究では、7匹の雄と1匹の雌ラット(Sprague-Dawley、体重:185-350g)を使用しました。研究終了後、ラットを二酸化炭素の過剰摂取を用いて屠殺した。 1.さまざまなコンポーネントの設計 ヘッドイ?…
Representative Results
麻酔をかけたラットの1回の試行からの代表的な光学画像信号と、覚醒したラットの(収集された40回の試行のうち)合計応答を示します(図4)。覚醒ラットのシングルウィスカー刺激の信号強度は、麻酔をかけたラットよりも高い閾値で視覚化することができ、覚醒動物からのより強い信号を示す。ラットのC2ウィスカーを5Hzで1秒間刺激し、機能応答をベースラインと比較?…
Discussion
覚醒、頭部固定ラットイメージングの使用は、容易さとカスタマイズの点で多くの利点を提供します。カスタム設計されたスリングにより、ラットを通気性のあるネット素材で包むことができ、動物を閉じたプラスチック製の拘束室に長時間囲む必要がなくなります10,11。ラットは、ラットの軽度の鎮静レベル(1.0-2.5 mg / kg)未満の非常に低用量のア?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
クララ・ジョーンズ、ジェームズ・スターウォルト、リン・ホアン、ヨン・ジュンハ、アミルソヘイル・ザレがラットの訓練とスリングの準備に協力してくれたことに感謝します。資金提供は、国立衛生研究所(NIH、助成金番号:NS119852)およびLeducq財団(助成金番号:15CVD02)から提供されました。
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).
Citar este artigo
Bhatti, M., Malone, H., Hui, G., Frostig, R. D. Head Implants for the Neuroimaging of Awake, Head-Fixed Rats. J. Vis. Exp. (187), e64324, doi:10.3791/64324 (2022).