Die Verwendung von pharmakologischen fMRT-Herausforderung in der präklinischen Forschung: Anwendung auf die 5-HT-System

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Funktion von Serotonin oder fünf HT-Neurotransmittern und frei atmenden Tieren mit pharmakologischer Magnetresonanztomographie und einer intravenösen Provokation mit einem selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmer Fluoxetin zu beurteilen. Dies wird durch die Kombination einer funktionellen MRT mit einer Drug Challenge nach anfänglichen Baseline-Messungen erreicht, die zur Visualisierung der hämodynamischen Reaktion des Gehirns auf das spezifische Medikament vor und während des Experiments verwendet wird. Eine umfassende Überwachung und Aufrechterhaltung der physiologischen Reaktionen des Tieres ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die mit FMRI visualisierte Gehirnreaktion ausschließlich auf die gegebene pharmakologische Herausforderung zurückzuführen ist.

Abschließend wird eine statistische Datenanalyse der MRT-Daten durchgeführt, um die Voxel des Gehirns zu bestimmen, die im Vergleich zu den Ausgangswerten Signalvarianten aufweisen und somit auf die serotonerge Herausforderung zurückzuführen sind. Es werden Ergebnisse erhalten, die einen Hinweis auf die Serotoninfunktion des Gehirns geben, basierend auf der Reaktion des Gehirns auf eine serotonerge Herausforderung, gemessen mit funktioneller MRT. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden bildgebenden Verfahren wie PET oder SPECT besteht darin, dass sie weniger invasiv ist, da keine Radiotracer verwendet werden.

Es ist daher eine sehr geeignete Technik für die translationale Forschung, da sie auch bei gefährdeten menschlichen Probanden wie Kindern oder Patienten eingesetzt werden kann. Obwohl diese Methode einen Einblick in die Funktionsweise des Serotoninsystems geben kann, kann sie auch auf andere Neurotransmittersysteme angewendet werden, wenn eine andere Arzneimittelherausforderung verwendet wird, wie z. B. das dopaminerge System, das es verwendet, zum Beispiel eine Amphetamin-Herausforderung Um dieses Experiment zu beginnen, betäuben Sie zuerst die Ratte vollständig und kanülieren Sie dann die Oberschenkelarterie und -vene für Blutgas- und Blutdruckmessungen. sowie die Verabreichung der Challenge-Medikation. Senken Sie nach Abschluss der Operation den Anästhesiepegel auf 2% zur Erhaltung.

Abhängig von den arteriellen Blutgaswerten. Verwenden Sie eine Warmluftheizung, um die Körpertemperatur zwischen 1,5 Grad und 37 Grad Celsius zu halten, und beachten Sie, dass MR. Die Bildgebung kann die Temperatur beeinflussen. Es ist auch möglich, ein warmes Wasserbett in das stereotaktische Bett zu stellen.

Legen Sie das Tier anschließend in ein MRT-kompatibles stereotaktisches Bett in Bauchlage, wobei Sie Ohr- und Zahnstangen verwenden, um die Kopfposition beizubehalten. Legen Sie eine Atemmanschette, die mit einem Drucksensor gekoppelt ist, unter das Tier, um die Atemfrequenz des Tieres zu überwachen und aufzuzeichnen. Während der Bildgebung.

Schließen Sie den arteriellen Zugang auch an einen Druckwandler an, um den arteriellen Blutdruck zu überwachen. Hier kommt ein 4,7 Tesla Kleintier-MRT-System mit 72 Millimeter Innendurchmesser und einer zylindrischen Quadratur Sende-Empfangs-HF-Spule zum Einsatz. Platzieren Sie dann das Bett in der Bohrung des MRT-Scanners.

Sobald das Tier in den Scanner gelegt wurde, sollten die physiologischen Reaktionen ständig überwacht werden, um sicherzustellen, dass das Tier während des gesamten Eingriffs stabil, vollständig anästhesiert und frei atmend bleibt. Bei der In-vivo-Bildgebung ist es wichtig, Anpassungen des Anästhesieregimes während der pH-MRT-Untersuchung zu vermeiden. Da dies das MR-Signal beeinflussen könnte, sollten die arteriellen Blutgaswerte stabil und innerhalb der hier dargestellten Bereiche liegen.

Bevor Sie mit der pH-MRT-Untersuchung beginnen, passen Sie, wenn nicht leicht, den Anästhesiegrad an, um eine tiefere oder flachere Atmung zu ermöglichen, und überprüfen Sie die Werte. Auch hier sollte die Atemfrequenz nach kurzer Zeit stabil bei 45 bis 75 Atemzügen pro Minute liegen, der Blutdruck sollte konstant sein und zwischen hundert und hundert bis 50 Millimeter Quecksilbersäule liegen. Die pharmakologische Herausforderung wird zu Veränderungen dieser Maßnahmen führen, wie beschrieben.

Beginnen Sie anschließend im Protokoll mit der Bildgebung mit einem Drei-Ebenen-Scout-Bild, um das Gehirn korrekt in der Mitte des MRT-Sichtfelds zu positionieren. Verwenden Sie dann die lokalisierte Shim-Korrektur, um die Homogenität des Magnetfelds zu verbessern. Erfassen Sie als Nächstes ein gewichtetes anatomisches Bildvolumen von T zwei für Registrierungs- und Segmentierungszwecke.

Empfohlen werden 30 koronale Scheiben von einem Millimeter Dicke mit einem Zentrum von acht Millimetern, die mit dem hinteren Rand des Riechkolbens verhätschelt sind. Im Manuskript finden Sie spezifische Bildparameter, die sicherstellen, dass alle physiologischen Reaktionen konstant sind. Fahren Sie hier mit dem pH-MRT-Scan fort.

Es wird ein Spin-Echo mit zwei gewichteten Turbos von T verwendet und es werden 32 Volumina erfasst. Mit einer Gesamtscanzeit von 84 Minuten. Erfassen Sie eine Reihe von Ausgangsvolumina, bevor Sie das Provokationsmedikament verabreichen, mindestens für 10 Minuten.

Stellen Sie sicher, dass Sie die Infusion bei allen Tieren innerhalb einer Studie genau zur gleichen Zeit beginnen. In diesem Protokoll wurde die Verabreichung zu Beginn des neunten Bandes nach ca. 21 Minuten Baseline-Scan gestartet. Beachten Sie, dass die pharmakologische Herausforderung mit Fluoxetin zu einem kurzen Anstieg der Atemfrequenz um 15 bis 20 % sowie zu einem kurzen, aber steilen Abfall des arteriellen Blutdrucks um etwa 20 % führt.

Dies sollte sich innerhalb von fünf bis 10 Minuten erholen. Stellen Sie sicher, dass die Bildgebungsphase nach der Infusion lang genug ist, um Signalveränderungen sichtbar zu machen und je nach Forschungsfrage und Wahl der Wirkstoffherausforderung einen stabilen Zustand oder eine Wiederherstellung des MRT-Signals zu erreichen. Wenn die Bildgebung abgeschlossen ist, nehmen Sie das Tier aus dem Scanner und führen Sie eine abschließende Blutgasmessung durch, um die Stabilität der Blutgasparameter während der beschriebenen Bildaufnahme zu gewährleisten.

Hier sind einige Schritte in der Vorverarbeitung der MRT-Daten, um die Daten für die statistische Analyse zu optimieren. Die genannten Tools werden vorgeschlagen, es stehen viele verschiedene Tools zur Verfügung. Konvertieren Sie zunächst alle Rohbilder in das Dateiformat, das mit der zu verwendenden MRT-Analysesoftware kompatibel ist.

Um die Kompatibilität mit Analysealgorithmen zu gewährleisten, die für die Verwendung mit menschlichen Daten entwickelt wurden, sollte die Größe des Fuchslochs mit dem Faktor 10 multipliziert werden. Achten Sie darauf, Ihre Bilder visuell auf Unregelmäßigkeiten und Ausrichtungsartefakte, Signal-Rausch-Verhältnis und Bewegungsverwerfungen von Scans mit klaren Artefakten oder übermäßiger Bewegung zu überprüfen, da diese Ihre Ergebnisse verfälschen. Die Orientierung aller Scans sollte zwischen den anatomischen und funktionellen Bildern ähnlich sein und in Übereinstimmung mit dem verwendeten Referenzgehirn zur Korrektur sein.

Verwenden Sie für Bewegungsartefakte in den vier D-Zeitreihen ein Bewegungskorrekturwerkzeug wie fsls flt, das eine feine intermodale Bildregistrierung des Gehirns verwendet. Führen Sie als Nächstes eine Gehirnsegmentierung sowohl für die vier D-Zeitreihen als auch für das anatomische 3D-Bild durch. Hierfür kann das FSL-Tool BET verwendet werden.

Die Standardeinstellungen wurden für die Verwendung mit menschlichen Gehirnen entwickelt. Achten Sie daher darauf, die Werte für das Rattengehirn zu optimieren. Ziel der statistischen Analyse ist es, die Voxel zu bestimmen, die zusätzliche Varianten aufweisen, die auf die Drug Challenge zurückzuführen sind.

Hierfür stehen verschiedene Ansätze und Softwarepakete zur Verfügung. Hier wird vor der Analyse eine Methode vorgeschlagen. Zunächst muss ein allgemeines lineares Modell ermittelt werden, an dem Ihre Daten getestet werden können.

Dabei kann es sich um ein einfaches quadratisches Ein-Aus-Modell oder ein spezifisches Modell handeln, das auf den Daten basiert. Führen Sie für ein datengesteuertes Modell einen T-Test mit zwei Stichproben für alle Baseline-Volumina im Vergleich zu allen Volumina nach der Abfrage durch. Das erste Volumen und das Volumen, während des die Herausforderung gegeben ist, sollten weggelassen werden, da diese möglicherweise keine stationäre Bildgebung darstellen. Anschließend werden alle Voxel mit einer Änderung von mehr als einem bestimmten Prozentsatz gegenüber der Grundlinie diskriminiert, wie z. B. ein durchschnittlicher Änderungsdurchschnitt von 1 % des Zeitverlaufs in allen diskriminierten Voxeln, um einen Eindruck von der Form des Modells zu vermitteln.

Dies kann feststellen, ob die Herausforderung einen sofortigen oder verzögerten Effekt hatte, wenn der Effekt ein Plateau oder einen Höhepunkt erreicht und wenn der Effekt im Laufe des Scans wieder abnimmt. Dies kann für alle Tiere und dann wieder gemittelt werden, um die mittlere Signaländerung bei allen Tieren zu erhalten. Dies wird das Modell für Ihr datengesteuertes GLM sein.

Als nächstes muss innerhalb des Analysewerkzeugs eine Analyse der ersten Ebene eingerichtet werden. Stellen Sie den TR ein und beachten Sie, dass es nicht erforderlich ist, einen Hoch- oder Tiefpassfilter einzustellen, um die Daten räumlich zu glätten, indem Sie einen halben maximalen Kern von acht Millimetern in voller Breite verwenden. Testen Sie nun statistisch das rohe Vier-D-Zeitreihenbild jedes Tieres mit dem zuvor etablierten allgemeinen linearen Modell.

Dies ist Ihre erklärende Variable, IE, die Wellenform oder Designmatrix, mit der Sie Ihre Daten testen. Wenden Sie als Nächstes einen Schwellenwert auf das resultierende Statistikbild an, um anzugeben, welche Voxel oder Voxelcluster auf einem bestimmten Signifikanzniveau aktiviert sind. Mehrfachvergleiche, Korrekturen sollten aufgrund der großen Anzahl der getesteten Voxel verwendet werden.

Normalisieren Sie abschließend die Daten räumlich auf eine Referenz, um Gruppenstatistiken durchzuführen. Registrieren Sie zuerst die funktionellen Daten auf dem vom Gehirn des Tieres extrahierten anatomischen Bild und dann auf dem Referenzbild. Führen Sie dann die Analyse aus, indem Sie auf Los drücken, und überprüfen Sie das Ergebnis.

Danach kann die Analyse aller Tiere auf der ersten Ebene mit einer statistischen Analyse auf höherer Ebene kombiniert werden. Dies hängt stark von den eigenen Studien-, Design- und Forschungsfragen ab. Aufgezeichnete physiologische Reaktionen können bei Bedarf auch an das MR-Signal gekoppelt werden.

Wenn das herausfordernde Medikament in das Gefäßsystem gelangt, sollte eine klare physiologische Reaktion sichtbar sein. Fluoxetin bewirkt eine Erhöhung der Atemfrequenz sowie eine Senkung des Blutdrucks. Diese Reaktionen normalisieren sich im Durchschnitt innerhalb von fünf bis 10 Minuten.

Hier ist dieser Blutdruckabfall deutlich sichtbar. Ein gutes Beispiel für ein positiv aktiviertes Voxel und den damit einhergehenden Signalzeitverlauf ist hier zu sehen. Der durchschnittliche Signalzeitverlauf in aktivierten Voxeln sollte eine relativ stabile Basislinie und einen deutlichen Effekt der Challenge zeigen.

Vorzugsweise sollte es keine Herausforderung bei der abhängigen Drift in den Signalartefakten geben, wie z. B. Atmung, Depression oder Versagen oder Veränderungen in der Anästhesie, die oft deutlich im Signal sichtbar sind. Ein Beispiel für einen allgemeinen Signalverlust aufgrund einer Atemdepression ist hier nach der Analyse der ersten Stufe zu sehen. Es wird erwartet, dass das Aktivierungsmuster hauptsächlich positiv ist und sich nur in bestimmten Serotonin-verwandten Regionen befindet, wie z. B. den kortikalen Bereichen, dem Hippocampus, dem Hypothalamus und dem Thalamus.

Wenn das gesamte Gehirn eine lineare Abnahme des MR-Signals zeigt, ist dies oft ein Hinweis auf systemischere Effekte. Zum Beispiel zwei tiefe Anästhesie oder Atemdepression Auch habe ich mir dieses Video angesehen. Sie sollten ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die Funktion von Serotonin-Neurotransmittern, das Leben und das frei atmende Tier mit pharmakologischer Magnetresonanztomographie und eine intravenöse Herausforderung mit einem selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmer beurteilt.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit hohen Magnetfeldern extrem gefährlich sein kann, und es sollten immer Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um zu vermeiden, dass sich während der Durchführung dieses Verfahrens magnetische Metallgegenstände im Magnetfeld befinden. Das bedeutet, dass alle Geräte, die zur Überwachung des Tieres während der Bildaufnahme verwendet werden, kompatibler sein sollten.