Förvärv av resting state funktionell magnetisk resonanstomografidata i råttan
Summary
Detta protokoll beskriver en metod för att erhålla stabila vilotillstånd funktionella magnetisk resonanstomografi (rs-fMRI) data från en råtta som använder låg dos isofluran i kombination med låg dos dexmedetomidine.
Abstract
Vila-tillstånd funktionell magnetisk resonanstomografi (rs-fMRI) har blivit en alltmer populär metod för att studera hjärnans funktion i ett vilande, icke-uppgiftstillstånd. Detta protokoll beskriver en preklinisk överlevnadsmetod för att erhålla rs-fMRI-data. Att kombinera lågdosisfluran med kontinuerlig infusion av α2 anerga receptoragonist dexmedetomidin ger ett robust alternativ för stabilt dataförvärv av hög kvalitet samtidigt som hjärnans nätverksfunktion bevaras. Dessutom möjliggör detta förfarande spontan andning och nästan normal fysiologi hos råttan. Ytterligare avbildningssekvenser kan kombineras med förvärv av vilotillstånd som skapar experimentella protokoll med bedövningsstabilitet på upp till 5 h med den här metoden. Detta protokoll beskriver installation av utrustning, övervakning av råtta fysiologi under fyra distinkta faser av anestesi, förvärv av vilotillstånd skanningar, kvalitetsbedömning av data, återvinning av djuret och en kort diskussion om efterbehandling data analys. Detta protokoll kan användas över en mängd olika prekliniska gnagare modeller för att hjälpa till att avslöja de resulterande hjärnan nätverk förändringar som uppstår i vila.
Introduction
Vilotillstånd funktionell magnetisk resonanstomografi (rs-fMRI) är ett mått på signalen om blod-syre-nivåberoende (BOLD) när hjärnan är i vila och inte engagerad i någon särskild uppgift. Dessa signaler kan användas för att mäta korrelationer mellan hjärnregioner för att bestämma den funktionella anslutningen inom neurala nätverk. rs-fMRI används ofta i kliniska studier på grund av dess icke-invasivitet och den låga ansträngning som krävs av patienter (jämfört med uppgiftsbaserad fMRI) vilket gör det optimalt för olika patientpopulationer1.
Tekniska framsteg har gjort det möjligt att anpassa rs-fMRI för användning i gnagaremodeller för att avslöja mekanismer som ligger till grund för sjukdomsstater (sereferens 2 för granskning). Prekliniska djurmodeller, inklusive sjukdoms- eller knockoutmodeller, tillåter ett brett spektrum av experimentella manipuleringar som inte är tillämpliga hos människor, och studier kan också använda obduktionsprover för att ytterligare förbättraexperimenten 2. På grund av svårigheten att både begränsa rörelse och mildra stress utförs MRI-förvärv hos gnagare traditionellt under anestesi. Bedövningsmedel, beroende på deras farmakokinetik, farmakodynamik och molekylära mål, påverkar hjärnans blodflöde, hjärnans ämnesomsättning och kan potentiellt påverka neurovaskulära kopplingsvägar.
Det har gjorts många ansträngningar för att utveckla bedövningsprotokoll som bevarar neurovaskulär koppling och hjärnansnätverksfunktion 3,4,5,6,7,8. Vi rapporterade tidigare en bedövningsregim som applicerade en låg dos isofluran tillsammans med en låg dos av α2 aterenergiska receptor agonist dexmedetomidine9. Råttor enligt denna anestesimetod uppvisade robusta BOLD-svar på whisker stimulering i regioner som överensstämmer med etablerade projektionsvägar (ventrolateral och ventromedial thalamic atomkärnor, primära och sekundära somatosensory cortex); storskaliga vilotillstånd hjärnnätverk, inklusive standardläge nätverk10,11 och salience nätverk12 har också konsekvent upptäckts. Dessutom tillåter detta bedövningsprotokoll upprepad avbildning på samma djur, vilket är viktigt för att övervaka sjukdomsprogressionen och effekten av experimentella manipuleringar längsgående.
I den aktuella studien beskriver vi de experimentella inrättning, djurberedning och fysiologiska övervakningsförfaranden som är involverade. I synnerhet beskriver vi de specifika bedövningsfaserna och förvärvet av skanningar under varje fas. Datakvaliteten utvärderas efter varje vilotillståndssökning. En kort sammanfattning av analysen efter skanning ingår också i diskussionen. Laboratorier som är intresserade av att avslöja potentialen att använda rs-fMRI hos råttor kommer att finna detta protokoll användbart.
Protocol
Representative Results
Discussion
Djurets stabilitet, både fysiskt och fysiologiskt, är nyckeln till att få högkvalitativa vilotillståndsdata. Detta protokoll uppnår stabilitet genom att gå igenom fyra distinkta faser av anestesi. Det är absolut nödvändigt att djuret har uppfyllt de fastställda fysiologiska trösklarna innan det går vidare till nästa fas av anestesi; Eftersom denna metod förlitar sig på fysiologiska autoregulatoriska mekanismer kan enskilda djur kräva något olika mängder tid vid varje anestesifas. Det är vår erfarenhe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av finansiering från National Institute of Health (NIH) National Institute on Drug Abuse (NIDA) [DJW, EDKS, och EMB stöttades av anslag R21DA044501 tilldelat till Alan I. Gräsplan och DJW stöttades av lån T32DA037202 till Alan J. Budney] och Medborgareinstitut på alkoholmissbruk och alcoholism (NIAAA) [Anslag F31AA028413 till Emily D. K. Sullivan]. Ytterligare stöd gavs genom Alan I. Greens begåvade fond som Raymond Sobel Professor of Psychiatry vid Dartmouth.
Hanbing Lu stöds av National Institute on Drug Abuse Intramural Research Program, NIH.
Författarna vill erkänna och tacka den framlidne Alan I. Green. Hans orubbliga engagemang för samuppkomna sjukdomar bidrog till att etablera samarbete mellan författarna. Vi tackar honom för hans mentorskap och vägledning, som kommer att vara mycket saknad.
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).
