Verwerving van resting-state functionele magnetische resonantie beeldvormingsgegevens in de rat
Summary
Dit protocol beschrijft een methode voor het verkrijgen van stabiele resting-state functionele magnetische resonantie beeldvorming (rs-fMRI) gegevens van een rat met lage dosis isofluraan in combinatie met lage dosis dexmedetomidine.
Abstract
Resting-state functionele magnetische resonantie beeldvorming (rs-fMRI) is een steeds populairdere methode geworden om de hersenfunctie te bestuderen in een rustende, niet-taaktoestand. Dit protocol beschrijft een preklinische overlevingsmethode voor het verkrijgen van rs-fMRI-gegevens. Het combineren van lage dosis isofluraan met continue infusie van de α2 adrenerge receptor agonist dexmedetomidine biedt een robuuste optie voor stabiele, hoogwaardige gegevensverzameling met behoud van de hersennetwerkfunctie. Bovendien zorgt deze procedure voor spontane ademhaling en bijna normale fysiologie bij de rat. Extra beeldvormingssequenties kunnen worden gecombineerd met resting-state acquisitie en creëren experimentele protocollen met een verdovingsstabiliteit van maximaal 5 uur met behulp van deze methode. Dit protocol beschrijft de opstelling van apparatuur, monitoring van rattenfysiologie tijdens vier verschillende fasen van anesthesie, verwerving van rusttoestandscans, kwaliteitsbeoordeling van gegevens, herstel van het dier en een korte bespreking van nabewerkingsgegevensanalyse. Dit protocol kan worden gebruikt in een breed scala van preklinische knaagdiermodellen om de resulterende veranderingen in het hersennetwerk die in rust optreden te onthullen.
Introduction
Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) is een maat voor het bloed-zuurstof-niveau-afhankelijke (BOLD) signaal wanneer de hersenen in rust zijn en niet betrokken zijn bij een bepaalde taak. Deze signalen kunnen worden gebruikt om correlaties tussen hersengebieden te meten om de functionele connectiviteit binnen neurale netwerken te bepalen. rs-fMRI wordt veel gebruikt in klinische studies vanwege de niet-invasiviteit en de lage hoeveelheid inspanning die van patiënten wordt vereist (in vergelijking met taakgebaseerde fMRI) waardoor het optimaal is voor diverse patiëntenpopulaties1.
Dankzij de technologische vooruitgang kon rs-fMRI worden aangepast voor gebruik in knaagdiermodellen om mechanismen aan het licht te brengen die ten grondslag liggen aan ziektetoestanden (zie referentie2 voor beoordeling). Preklinische diermodellen, waaronder ziekte- of knock-outmodellen, maken een breed scala aan experimentele manipulaties mogelijk die niet van toepassing zijn op mensen, en studies kunnen ook gebruik maken van postmortale monsters om experimenten verder te verbeteren2. Niettemin, vanwege de moeilijkheid in zowel het beperken van beweging als het verminderen van stress, wordt MRI-acquisitie bij knaagdieren traditioneel uitgevoerd onder anesthesie. Verdovende middelen, afhankelijk van hun farmacokinetiek, farmacodynamica en moleculaire doelen, beïnvloeden de hersenbloedstroom, het hersenmetabolisme en beïnvloeden mogelijk neurovasculaire koppelingsroutes.
Er zijn talrijke inspanningen geleverd om verdovingsprotocollen te ontwikkelen die neurovasculaire koppeling en hersennetwerkfunctie3,4, 5,6,7,8behouden . We meldden eerder een verdovingsschema dat een lage dosis isofluraan toepaste samen met een lage dosis van de α2 adrenerge receptoragonist dexmedetomidine9. Ratten onder deze anesthesiemethode vertoonden robuuste BOLD-reacties op snorharenstimulatie in regio’s die consistent waren met vastgestelde projectieroutes (ventrolaterale en ventromediale thalamische kernen, primaire en secundaire somatosensorische cortex); grootschalige rusttoestand hersennetwerken, waaronder de standaardmodus netwerk10,11 en salience netwerk12 zijn ook consequent gedetecteerd. Bovendien maakt dit verdovingsprotocol herhaalde beeldvorming bij hetzelfde dier mogelijk, wat belangrijk is voor het monitoren van de ziekteprogressie en het effect van experimentele manipulaties in de lengterichting.
In deze studie beschrijven we de experimentele opzet, de voorbereiding van dieren en de fysiologische monitoringprocedures. In het bijzonder beschrijven we de specifieke verdovingsfasen en het verkrijgen van scans tijdens elke fase. De gegevenskwaliteit wordt beoordeeld na elke resting-state scan. Een korte samenvatting van de analyse na de scan is ook opgenomen in de discussie. Laboratoria die geïnteresseerd zijn in het blootleggen van het potentieel van het gebruik van rs-fMRI bij ratten zullen dit protocol nuttig vinden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stabiliteit van het dier, zowel fysiek als fysiologisch, is de sleutel tot het verkrijgen van hoogwaardige rusttoestandgegevens. Dit protocol bereikt stabiliteit door vier verschillende fasen van anesthesie te doorlopen. Het is absoluut noodzakelijk dat het dier de vastgestelde fysiologische drempels heeft gehaald voordat het naar de volgende fase van anesthesie gaat; aangezien deze methode afhankelijk is van fysiologische autoregulerende mechanismen, kunnen individuele dieren bij elke anesthesiefase enigszins verschille…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door financiering van het National Institute of Health (NIH)’s National Institute on Drug Abuse (NIDA) [DJW, EDKS, and EMB were supported by Grant R21DA044501 awarded to Alan I. Green and DJW was supported by Grant T32DA037202 to Alan J. Budney] and the National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism (NIAAA) [Grant F31AA028413]. Aanvullende steun werd verleend via het begiftigde fonds van Alan I. Green als raymond Sobel professor in de psychiatrie in Dartmouth.
Hanbing Lu wordt ondersteund door het National Institute on Drug Abuse Intramural Research Program, NIH.
De auteurs willen wijlen Alan I. Green erkennen en bedanken. Zijn niet aflatende toewijding aan het gebied van co-voorkomende aandoeningen hielp om samenwerking tussen de auteurs tot stand te brengen. We danken hem voor zijn mentorschap en begeleiding, die zeer gemist zullen worden.
Materials
| 9.4T MRI | Varian/Bruker | Varian upgraded with Bruker console running Paravision 6.0.1 software | |
| Air-Oxygen Mixer | Sechrist | Model 3500CP-G | |
| Analysis of Functional NeuroImages (AFNI) | NIMH/NIH | Version AFNI_18.3.03 | Freely available at: https://afni.nimh.nih.gov/ |
| Animal Cradle | RAPID Biomedical | LHRXGS-00563 | rat holder with bite bar, nose cone and ear bars |
| Animal Physiology Monitoring & Gating System | SAII | Model 1025 | MR-compatible system including oxygen saturation, temperature, respiration and fiber optic pulse oximetry add-on |
| Antisedan (atipamezole hydrochloride) | Patterson Veterinary | 07-867-7097 | Zoetis, Manufacturer Item #10000449 |
| Ceramic MRI-Safe Scissors | MRIequip.com | MT-6003 | |
| Clippers | Patterson Veterinary | 07-882-1032 | Wahl touch-up trimmer combo kit, Manufacturer Item #09990-1201 |
| Dexmedesed (dexmedetomidine hydrochloride) | Patterson Veterinary | 07-893-1801 | Dechra Veterinary Products, Manufacturer Item#17033-005-10 |
| Digital Rectal Thermometer Covers | Medline | MDS9608 | |
| FMRIB Software Library | FMRIB | MELODIC Version 3.15 | Freely available at: https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki |
| Heating Pad | Cara Inc. | Model 50 | |
| Hemostat forceps, straight | Kent Scientific | INS750451-2 | |
| Isoflurane | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | Patterson Private Label, Manufacturer Item #14043-0704-06 |
| Isoflurane Vaporizer | VetEquip Inc. | 911103 | |
| Lab Tape, 3/4" | VWR International | 89097-990 | |
| Needles, 23 gauge | BD | 305145 | plastic hub removed |
| Parafilm Laboratory Film | Patterson Veterinary | 07-893-0260 | Medline Industries Inc., Manufacturer Item #HSFHS234526A |
| Planar Surface Coil | Bruker | T12609 | 2cm |
| Polyethylene Tubing | Braintree Scientific | PE50 50FT | 0.023" (inner diameter), 0.038" (outer diameter) |
| Puralube Ophthalmic Ointment | Patterson Veterinary | 07-888-2572 | Dechra Veterinary Products, Manufacturer Item #211-38 |
| Sprague Dawley Rats | Charles River | 400 SAS SD | |
| Sterile 0.9% Saline Solution | Patterson Veterinary | 07-892-4348 | Aspen Vet, Manufacturer Item #14208186 |
| Sterile Alcohol Prep Pads | Medline | MDS090735 | |
| Surgical Tape, 1" (3M Durapore) | Medline | MMM15381Z | 3M Healthcare, "wide medical tape" |
| Surgical White Paper Tape, 1/2" (3M Micropore) | Medline | MMM15300 | 3M Healthcare |
| Syringes, 1 mL w/ 25 gauge needle | BD | 309626 | |
| Syringes, 3 mL | BD | 309657 | |
| Vented induction and scavenging system | VetEquip Inc. | 942102 | 2 liter induction chamber with active scavenging |
| 411724 | omega flowmeter | ||
| 931600 | scavenging cube, "vacuum" | ||
| 921616 | nose cone, non-rebreathing |
References
- Smitha, K. A., et al. Resting state fMRI: A review on methods in resting state connectivity analysis and resting state networks. The Neuroradiology Journal. 30 (4), 305-317 (2017).
- Gorges, M., et al. Functional connectivity mapping in the animal model: Principles and applications of resting-state fMRI. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
- Paasonen, J., Stenroos, P., Salo, R. A., Kiviniemi, V., Gröhn, O. Functional connectivity under six anesthesia protocols and the awake condition in rat brain. NeuroImage. 172, 9-20 (2018).
- Pawela, C. P., et al. A protocol for use of medetomidine anesthesia in rats for extended studies using task-induced BOLD contrast and resting-state functional connectivity. NeuroImage. 46 (4), 1137-1147 (2009).
- Jonckers, E., et al. Different anesthesia regimes modulate the functional connectivity outcome in mice. Magnetic Resonance in Medicine. 72 (4), 1103-1112 (2014).
- Williams, K. A., et al. Comparison of alpha-chloralose, medetomidine and isoflurane anesthesia for functional connectivity mapping in the rat. Magnetic Resonance Imaging. 28 (7), 995-1003 (2010).
- Zhurakovskaya, E., et al. Global functional connectivity differences between sleep-like states in urethane anesthetized rats measured by fMRI. PloS One. 11 (5), 0155343 (2016).
- Fukuda, M., Vazquez, A. L., Zong, X., Kim, S. -. G. Effects of the α2-adrenergic receptor agonist dexmedetomidine on neural, vascular and BOLD fMRI responses in the somatosensory cortex. The European Journal of Neuroscience. 37 (1), 80-95 (2013).
- Brynildsen, J. K., et al. Physiological characterization of a robust survival rodent fMRI method. Magnetic Resonance Imaging. 35, 54-60 (2017).
- Lu, H., et al. Rat brains also have a default mode network. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (10), 3979-3984 (2012).
- Lu, H., et al. Low- but not high-frequency LFP correlates with spontaneous BOLD fluctuations in rat whisker barrel cortex. Cerebral Cortex. 26 (2), 683-694 (2016).
- Tsai, P. -. J., et al. Converging structural and functional evidence for a rat salience network. Biological Psychiatry. 88 (11), 867-878 (2020).
- Murphy, K., Bodurka, J., Bandettini, P. A. How long to scan? The relationship between fMRI temporal signal to noise ratio and necessary scan duration. NeuroImage. 34 (2), 565-574 (2007).
- Birn, R. M., et al. The effect of scan length on the reliability of resting-state fMRI connectivity estimates. NeuroImage. 83, 550-558 (2013).
- Lu, H., et al. Synchronized delta oscillations correlate with the resting-state functional MRI signal. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (46), 18265-18269 (2007).
- Lu, H., et al. Registering and analyzing rat fMRI data in the stereotaxic framework by exploiting intrinsic anatomical features. Magnetic Resonance Imaging. 28 (1), 146-152 (2010).
- Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
- Ash, J. A., et al. Functional connectivity with the retrosplenial cortex predicts cognitive aging in rats. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (43), 12286-12291 (2016).
- Hsu, L. -. M., et al. Intrinsic insular-frontal networks predict future nicotine dependence severity. The Journal of Neuroscience. 39 (25), 5028-5037 (2019).
- Li, Q., et al. Resting-state functional MRI reveals altered brain connectivity and its correlation with motor dysfunction in a mouse model of Huntington’s disease. Scientific Reports. 7, (2017).
- Lu, H., et al. Abstinence from cocaine and sucrose self-administration reveals altered mesocorticolimbic circuit connectivity by resting state MRI. Brain Connectivity. 4 (7), 499-510 (2014).
- Seewoo, B. J., Joos, A. C., Feindel, K. W. An analytical workflow for seed-based correlation and independent component analysis in interventional resting-state fMRI studies. Neuroscience Research. 165, 26-37 (2021).
- Broadwater, M. A., et al. Adolescent alcohol exposure decreases frontostriatal resting-state functional connectivity in adulthood. Addiction Biology. 23 (2), 810-823 (2018).
- Jaime, S., Cavazos, J. E., Yang, Y., Lu, H. Longitudinal observations using simultaneous fMRI, multiple channel electrophysiology recording, and chemical microiontophoresis in the rat brain. Journal of Neuroscience Methods. 306, 68-76 (2018).
