Функциональная магнитно-резонансная спектроскопия в 7 T в коре ствола крыс во время активации ограничитель выбросов
Summary
После проверки по крови кислород уровня зависимой функциональной магнитно-резонансной томографии (жирный МР-томографию), соответствующий соматосенсорные баррель коры площади поля (называемый S1BF) правильно активирован, Главная цель этого исследования заключается в количественном определении содержания лактата колебания в активированных крыса мозги на локализованных протонного магнитного резонанса спектроскопии (1H-MRS) в 7 т.
Abstract
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) предлагает возможность измерения мозгового метаболит содержимое в естественных условиях и неинвазивно. Благодаря технологических разработок последнего десятилетия и увеличение прочности магнитного поля это теперь возможно получить хорошее разрешение спектров в естественных условиях в мозге крыс. Neuroenergetics (т.е., исследование метаболизма мозга) и, особенно, метаболического взаимодействия различных типов клеток привлекают все больше и больше интереса в последние годы. Среди этих метаболического взаимодействия существование лактат Трансфер между нейронами и астроциты все еще обсуждается. Это, таким образом, большой интерес для выполнения функциональных протонного магнитного резонанса спектроскопии (1H-MRS) в мышиной модели активации и монитор лактат мозга. Однако метил лактат пик перекрывается резонанс пиков липидов и трудно поддаются количественной оценке. Описанные ниже протокол позволяет метаболических и лактата колебания контролироваться в районе активированного мозга. Церебральный активации получается путем стимуляции нитевидные и 1H-MRS выполняется в соответствующего активированного баррель коры, чьи области обнаруживается с помощью крови кислород уровня зависимой функционального магнитного резонанса (жирный МР-томографию). Подробно описаны все шаги: выбор анестетиков, катушек и последовательности, достижение эффективного нитевидные стимуляции непосредственно в магнит и обработки данных.
Introduction
Мозг обладает встроенные механизмы, которые позволяют регуляции ее основных субстрата (то есть, глюкозы), и за его вклад и его использования, в зависимости от различий в местных мозговой деятельности. Хотя глюкозы является главным энергетическим субстратом для мозга, эксперименты, проведенные в последние годы показали, что лактат, который производится путем астроциты, может быть эффективной энергии субстрат для нейронов. Это поднимает гипотеза лактат Трансфер между астроциты и нейроны1. Известный как ANLS, экзоцитоз нейрон лактат Трансфер2, теория обсуждается до сих пор высоко но привело к предложению что глюкоза, вместо того, чтобы идти прямо в нейроны, могут ввести астроциты, где он метаболизируется в лактат, метаболита , затем переданы нейронов, которые используют его как энергии эффективным субстрат. Если в естественных условияхсуществует такой трансфер, он будет иметь несколько важных последствия, как для понимания основных методов в функциональной мозгового томографии (позитронно-эмиссионная томография [PET]), так и для расшифровки метаболических изменений наблюдается в патологии мозга.
Для изучения метаболизма мозга и, особенно, метаболические взаимодействия между нейронами и астроциты, четыре основные методы доступны (не включая микро-/ Наносенсоры): авторадиографии, PET, два Фотон флуоресцентные confocal микроскопии и миссис. Авторадиографии был одним из первых предлагаемых методов и предоставляет образы региональных накопления радиоактивного 14C-2-deoxyglucose в срезах головного мозга, а PET урожайности в vivo изображения регионального поглощение радиоактивных 18 F-deoxyglucose. Они оба имеют недостаток использования irradiative молекул при производстве низким пространственное разрешение изображений. Двух Фотон микроскопии обеспечивает сотовой резолюции флуоресцентных зондов, но рассеяния света в ткани ограничивает глубину визуализации. Эти три технологии ранее использовались для изучения neuroenergetics грызунов в столбик стимуляции3,4,5,6. В естественных условиях Миссис имеет двойное преимущество неинвазивной и нерадиоактивных, и любой структуры мозга могут быть изучены. Кроме того миссис может быть выполнена во время активации нейронов, называемый функциональный миссис (ОФМ), которая была разработана совсем недавно в грызунов7. Таким образом протокол для мониторинга метаболизм мозга во время мозговой активности 1H-MRS в естественных условиях и неинвазивно предлагается. Процедура описана в взрослых здоровых крыс с активации мозга, полученных путем стимуляции нитевидные воздуха слоеное, выполняются непосредственно в 7 тепловизор магнитный резонанс (МР) T, но могут быть адаптированы в генетически модифицированных животных, а также в любые патологические состояния .
Protocol
Representative Results
Discussion
Ствол коры, также называется S1BF соматосенсорной коры или ствол поля, — регион в пределах коркового слоя IV, который можно наблюдать с помощью цитохрома с-оксидазы пятнать9, и ее организация хорошо известно, так как он был во многом описанные 10,11</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана тропа LabEx Грант, ссылка АНР-10-LABX-57 и Французск-Швейцарца АНР-ФНС предоставить ссылку АНР-15-CE37-0012. Авторы благодарят Орельен Тротье за его техническую поддержку.
Materials
| 0.5 mL syringe with needle | Becton, Dickinson and Company, USA | 2020-10 | 0.33 mm (29 G) x 12.7 mm |
| 1H spectroscopy surface coil | Bruker, Ettlingen, Germany | T116344 | |
| 7T Bruker Biospec system | Bruker, Ettlingen, Germany | 70/20 USR | |
| Arduino Uno based pulsing device | custom made | ||
| Atipamezole | Vétoquinol, S.A., France | V8335602 | Antisedan, 4.28 mg |
| Breathing mask | custom made | ||
| Eye ointment | TVM laboratoire, France | 40365 | Ocry gel 10 g |
| Induction chamber | custom made | 30x17x15 cm | |
| Inlet flexible pipe | Gardena, Germany | 1348-20 | 4.6-mm diameter, 3m long |
| Isoflurane pump, Model 100 series vaporizer, classic T3 | Surgivet, Harvard Apparatus | WWV90TT | from OH 43017, U.S.A |
| Isoflurane, liquid for inhalation | Vertflurane, Virbac, France | QN01AB06 | 1000 mg/mL |
| KD Scientific syringe pump | KD sientific, Holliston, USA | Legato 110 | |
| LCModel software | LCModel Inc., Ontario, Canada | 6.2 | |
| Medetomidine hydrochloride | Vétoquinol, S.A., France | QN05CM91 | Domitor, 1 mg/mL |
| Micropore roll of adhesive plaster | 3M micropore, Minnesota, United States | MI912 | |
| Micropore roll of adhesive plaster | 3M micropore, Minnesota, United States | MI925 | |
| Monitoring system of physiologic parameter | SA Instruments, Inc, Stony Brook, NY, USA | Model 1025 | |
| NaCl | Fresenius Kabi, Germany | B05XA03 | 0.9 % 250 mL |
| Outlet flexible pipe | Gardena, Germany | 1348-20 | 4.6-mm diameter, 4m long |
| Paravision software | Bruker, Ettlingen, Germany | 6.0.1 | |
| Peripheral intravenous catheter | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | SP500930S | 22 G x 1", 0.85×25 mm, 35 mL/min |
| Rat head coil | Bruker, Ettlingen, Germany | ||
| Sodic heparin, injectable solution | Choai, Sanofi, Paris, France | B01AB01 | 5000 IU/mL |
| Solenoid control valves, plunger valve 2/2 way direct-acting | Burkert, Germany | 3099939 | Model type 6013 |
| Terumo 2 ml syringe | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | SY243 | with 21 g x 5/8" needle |
| Terumo 5 mL syringe | Terumo, Shibuya, Tokyo, Japon | 05SE1 | |
| Wistar RJ-Han rats | Janvier Laboratories, France |
References
- Pellerin, L., et al. Activity-dependent regulation of energy metabolism by astrocytes: an update. Glia. 55, 1251-1262 (2007).
- Pellerin, L., Magistretti, P. J. Glutamate uptake into astrocytes stimulates aerobic glycolysis: a mechanism coupling neuronal activity to glucose utilization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91, 10625-10629 (1994).
- Cholet, N., et al. Local injection of antisense oligonucleotides targeted to the glial glutamate transporter GLAST decreases the metabolic response to somatosensory activation. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 21, 404-412 (2001).
- Voutsinos-Porche, B., et al. Glial Glutamate Transporters Mediate a Functional Metabolic Crosstalk between Neurons and Astrocytes in the Mouse Developing Cortex. Neuron. 37, 275-286 (2003).
- Zimmer, E. R., et al. [18F]FDG PET signal is driven by astroglial glutamate transport. Nature Neuroscience. 20 (3), 393-395 (2017).
- Haiss, F., et al. Improved in vivo two-photon imaging after blood replacement by perfluorocarbon. The Journal of Physiology. , (2009).
- Mullins, P. G. Towards a theory of functional magnetic resonance spectroscopy (fMRS): A meta-analysis and discussion of using MRS to measure changes in neurotransmitters in real time. Scandinvian Journal of Psychology. 59, 91-103 (2018).
- Wong-Riley, M. T., Welt, C. Histochemical changes in cytochrome oxidase of cortical barrels after vibrissal removal in neonatal and adult mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 77, 2333-2337 (1980).
- Petersen, C. C. The functional organization of the barrel cortex. Neuron. 56, 339-355 (2007).
- Cox, S. B., Woolsey, T. A., Rovainen, C. M. Localized dynamic changes in cortical blood flow with whisker stimulation corresponds to matched vascular and neuronal architecture of rat barrels. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 13, 899-913 (1993).
- Feldmeyer, D. Excitatory neuronal connectivity in the barrel cortex. Frontiers in Neuroanatomy. 6, 24 (2012).
- Boussida, S., Traore, A. S., Durif, F. Mapping of the brain hemodynamic responses to sensorimotor stimulation in a rodent model: A BOLD fMRI study. PLoS One. 12, e0176512 (2017).
- Heinke, W., Koelsch, S. The effects of anesthetics on brain activity and cognitive function. Current Opinion in Anesthesiology. 18, 625-631 (2005).
- Horn, T., Klein, J. Lactate levels in the brain are elevated upon exposure to volatile anesthetics: a microdialysis study. Neurochemistry International. 57, 940-947 (2010).
- Boretius, S., et al. Halogenated volatile anesthetics alter brain metabolism as revealed by proton magnetic resonance spectroscopy of mice in vivo. Neuroimage. 69, 244-255 (2013).
- Sinclair, M. D. A review of the physiological effects of alpha2-agonists related to the clinical use of medetomidine in small animal practice. Canadian Veterinary Journal. 44, 885-897 (2003).
- Weber, R., et al. A fully noninvasive and robust experimental protocol for longitudinal fMRI studies in the rat. Neuroimage. 29, 1303-1310 (2006).
- Hartmann, M. J., Johnson, N. J., Towal, R. B., Assad, C. Mechanical characteristics of rat vibrissae: resonant frequencies and damping in isolated whiskers and in the awake behaving animal. The Journal of Neuroscience. 23, 6510-6519 (2003).
- Prichard, J., et al. Lactate rise detected by 1H NMR in human visual cortex during physiologic stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 88, 5829-5831 (1991).
- Sappey-Marinier, D., et al. Effect of photic stimulation on human visual cortex lactate and phosphates using 1H and 31P magnetic resonance spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 12, 584-592 (1992).
- Mazuel, L., et al. A neuronal MCT2 knockdown in the rat somatosensory cortex reduces both the NMR lactate signal and the BOLD response during whisker stimulation. PLoS One. 12, e0174990 (2017).
- Castellano, G., et al. NAA and NAAG variation in neuronal activation during visual stimulation. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 45, 1031-1036 (2012).
- Sarchielli, P., et al. Functional 1H-MRS findings in migraine patients with and without aura assessed interictally. Neuroimage. 24, 1025-1031 (2005).
- Baslow, M. H., Hrabe, J., Guilfoyle, D. N. Dynamic relationship between neurostimulation and N-acetylaspartate metabolism in the human visual cortex: evidence that NAA functions as a molecular water pump during visual stimulation. Journal of Molecular Neuroscience. 32, 235-245 (2007).
- Mangia, S., Tkac, I. Dynamic relationship between neurostimulation and N-acetylaspartate metabolism in the human visual cortex: evidence that NAA functions as a molecular water pump during visual stimulation. Journal of Molecular Neuroscience. 35, 245-248 (2008).
- Baslow, M. H., Hrabal, R., Guilfoyle, D. N. Response of the authors to the Letter by Silvia Mangia and Ivan Tkac. Journal of Molecular Neuroscience. 35, 247-248 (2008).
- Barros, L. F., Weber, B. CrossTalk proposal: an important astrocyte-to-neuron lactate shuttle couples neuronal activity to glucose utilisation in the brain. The Journal of Physiology. 596, 347-350 (2018).
- Bak, L. K., Walls, A. B. CrossTalk opposing view: lack of evidence supporting an astrocyte-to-neuron lactate shuttle coupling neuronal activity to glucose utilisation in the brain. The Journal of Physiology. 596, 351-353 (2018).
