Hovedimplantater til neuroimaging af vågne, hovedfikserede rotter
Summary
En detaljeret ny procedure for funktionel billeddannelse af vågne, hovedfikserede rotter er beskrevet.
Abstract
Anæstetika, der almindeligvis anvendes i præklinisk og grundlæggende videnskabelig forskning, har en depressiv indflydelse på hjernens metaboliske, neuronale og vaskulære funktioner og kan påvirke neurofysiologiske resultater negativt. Brugen af vågne dyr til forskningsundersøgelser er fordelagtig, men udgør den store udfordring at holde dyrene rolige og stationære for at minimere bevægelsesartefakter gennem dataindsamling. Vågen billeddannelse hos gnavere af mindre størrelse (f.eks. Mus) er meget almindelig, men forbliver ringe hos rotter, da rotter er større, stærkere og har en større tendens til at modsætte sig bevægelsesbegrænsninger og hovedfiksering over de lange varigheder, der kræves til billeddannelse. En ny model for neuroimaging af vågne, hovedfikserede rotter ved hjælp af tilpassede håndsyede slynger, 3D-printede hovedimplantater, hovedhætter og en hovedramme er beskrevet. Resultaterne opnået efter et enkelt forsøg med enkelt-whisker stimulering tyder på en stigning i intensiteten af det fremkaldte funktionelle respons. Erhvervelsen af den fremkaldte funktionelle respons fra vågne, hovedfikserede rotter er hurtigere end fra bedøvede rotter, pålidelig, reproducerbar og kan bruges til gentagne langsgående undersøgelser.
Introduction
De fleste af de grundlæggende, prækliniske og translationelle videnskabelige neuroimaging undersøgelser er erhvervet fra bedøvede dyr 1,2. Anæstetika letter eksperimentering, men påvirker kontinuerligt hjernens og kroppens stofskifte, blodtryk og puls3. Typen af bedøvelsesmiddel og varigheden og administrationsvejen tilføjer forvirrende variabler til datafortolkning, der kan bidrage til reproducerbarhed og translationelle fejl4. En stor flaskehals i vågne, hovedfikserede rotteneuroimaging undersøgelser er kravet om at holde rotten stille og rolig under hele forberedelses- og dataindsamlingsprocesserne. Små bevægelser producerer uberettigede bevægelsesartefakter, som kan påvirke dataanalyse og fortolkninger negativt.
En ny model af neuroimaging fra vågne, hovedfikserede rotter ved hjælp af tilpassede slynger, tredimensionelle (3D) printede hovedimplantater, hovedhætter og en hovedramme er blevet udtænkt, der giver flere fordele for nem eksperimentering. 3D-hovedimplantatet er let og dækker en lille del af kraniet, der er nødvendigt for transfiksering. De 3D-printede hovedimplantater og hætter er designet ved hjælp af CAD-software (Computer Aided Design). Protokollerne for whisker stimulation, dataindsamling, dataanalyse og resultater fra bedøvede rotter er blevet beskrevet detaljeret i tidligere arbejde 5,6,7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Brugen af vågen, hovedfikseret rottebilleddannelse giver mange fordele med hensyn til lethed og tilpasning. De specialdesignede sejl gør det muligt at pakke rotterne ind i åndbart netmateriale, hvilket eliminerer behovet for at indeslutte dyr i lukkede plastfastholdelseskamre i længere tid10,11. Rotter holdes rolige og stressfri under hele den lange varighed af successive billeddannelsessessioner ved hjælp af en meget lav dosis acepromazin under niveauerne f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkender Clara Jones, James Stirwalt, Linh Hoang, Young Joon Ha og Amirsoheil Zareh for deres hjælp under træning af rotterne og forberedelse af slyngerne. Finansieringen blev ydet af National Institutes of Health (NIH, tilskudsnummer: NS119852) og Leducq Foundation (tilskudsnummer: 15CVD02).
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 |
References
- 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).
