MRI פונקציונלי optogenetic
19 באפריל 2016
פרוטוקול זה מתאר את השלבים וניתוח הנתונים הנדרשים לביצוע מוצלח של הדמיית תהודה מגנטית תפקודית אופטוגנטית (ofMRI). ofMRI היא טכניקה חדשה המשלבת קריאת fMRI בשדה גבוה עם גירוי אופטוגנטי, ומאפשרת מיפוי ספציפי לסוג התא של מעגלים עצביים פונקציונליים והדינמיקה שלהם על פני כל המוח החי.
המטרה הכוללת של הליך הדמיה זה היא לשלב F-MRI עם גירוי אופטוגנטי למיפוי ספציפי לסוג התא של מעגלים עצביים תפקודיים והדינמיקה שלהם על פני כל המוח החי. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום מדעי המוח כגון קביעת תפקידם של אלמנטים ספציפיים במעגל המוח בהנעת פעילות מוחית גלובלית. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא מאפשרת גירוי ספציפי לסוג התא וקריאה ברזולוציה מרחבית גבוהה יחסית של פעילות מוחית גלובלית.
מי שידגים את ההליך הזה יהיו ג'יה ליו וג'ונגנאן פאנג, סטודנטים לתארים מתקדמים במעבדה שלי. לאחר הרדמת החיה כמתואר בפרוטוקול הטקסט, יש לגלח את הראש עם סכין גילוח חשמלי ולבצע קרצוף כירורגי משולש על העור באמצעות בטדין ושטיפת אתנול 70%. לאחר מכן, שתק את גולגולת החיה במנגנון סטריאוטקסי.
השתמשו באזמל כדי לבצע חתך של 15 עד 20 מ"מ בקו האמצע של הקרקפת. החזר את הקרקפת באמצעות המוסטטים כירורגיים המחוברים לפריוסטאום. זהה את מיקומי Lambda ו-Bregma על הגולגולת, ולאחר מכן מקם את המקדח מעל אזור העניין, או ROI.
קדחו קרניוטומיה קטנה מעל ה-ROI בעזרת מקדחה דנטלית, והקפידו לא לנקב את המוח. הכניסו לאט מחט המחוברת למזרק המיקרוליטר דרך הגולגולת לתוך ה-ROI במוח. לאחר מכן השתמש בבקר משאבת מיקרו-מזרק כדי להזריק שני מיקרוליטר של תמיסת הווקטור לתוך ה-ROI.
לאחר השלמת ההזרקה, המתן 10 דקות, ולאחר מכן הסר לאט את המזרק בקצב של 0.5 מילימטרים לדקה. לאחר ההזרקה יש לייבש את פני הגולגולת. אשר קואורדינטות עבור החזר ה-ROI והכנס את שתל הטבעת לעומק היעד בקצב של 0.5 מילימטר לדקה.
לבסוף, הרכיב את שתל החוט על הגולגולת באמצעות מלט דנטלי. לאחר שהמלט הדנטלי התמצק, אטמו את החתך בתפרים סביב מכסה המלט הדנטלי. התחל בחיבור כבל תיקון הסיבים האופטיים למקור אור לייזר, ומדוד את הפלט בקצה הקנה של כבל התיקון עם מד כוח.
התאימו את רמת ההספק המתאימה כדי לייצר את הפלט הרצוי בקצה הכבל הסיבי האופטי, המושתל בתוך המוח. מנע דליפת אור מהשתל על ידי כיסוי עיני החיה. לאחר מכן, הניחו את הסליל מעל ראש החיה.
השתמש בשרוול טבעת כדי להחזיק את כבל הסיבים האופטיים לשתל הטבעת. הכנס את העריסה עם החיה לתוך קדח הסורק. עקוב אחר קצב הנשימה וה-CO2 של הגאות וטמפרטורת הגוף לאורך כל הניסוי על ידי התאמת מכונת ההנשמה המלאכותית כדי לשמור על ערכים פיזיולוגיים בגבולות הנכונים.
חבר כבלי BNC מיציאת ההפעלה של סורק ה-MRI למחולל הפונקציות. בחר רצף מיקום ולחץ על סריקה בחלון הפעולה. לחץ על המשך כדי לדמות את מיקום הראש של החיה.
אם המוח לא נמצא באיזוסנטר, התאימו את מיקום ראש החיה וחזרו על סריקת המיקום עד שהמוח נמצא באיזוסנטר. רכוש תמונה אנטומית ברזולוציה גבוהה כדי לבדוק את השלמות הכללית של המוח, ולאשר את מיקום שתל הסיב האופטי. לאחר מכן, בחר רצף משוקלל T2.
התאם את מספר הפרוסות ולאחר מכן לחץ על סרוק כדי לקבל את התמונות האנטומיות העטרתיות המשוקללות ברזולוציה גבוהה T2. לבסוף, בחר שיפוע מרובה פרוסות שנזכר ברצף הד, ולאחר מכן לחץ על המשך כדי לרכוש את התמונה הפונקציונלית. פרוטוקול זה משתמש ב-F-MRI אופטוגנטי כדי לעורר את קליפת המוח המוטורית במודל של בעלי חיים.
מפת הפעלה זו מציגה ווקסלים מופעלים בקליפת המוח המוטורית ובתלמוס, מה שמצביע על קשרים סינפטיים ארוכי טווח בין אזורים אלה. כאן, האות המודגש מוצג עבור ווקסלים פעילים בקליפת המוח המוטורית ובתלמוס במהלך גירוי אופטוגנטי של קליפת המוח המוטורית. פונקציית התגובה ההמודינמית של התלמוס מראה תגובה מאוחרת ביחס לתגובה בקליפת המוח המוטורית לאחר גירוי.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות בעל הבנה טובה כיצד לבצע ניתוחי השתלה והדמיית תהודה מגנטית תפקודית אופטוגנטית. לאחר שליטה, ניתן להשלים הליך הדמיה זה תוך שעתיים. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב מאוד לעקוב אחר החיה ולשמור על הפיזיולוגיה שלה בגבולות הנורמליים.
בעקבות הליך זה, ניתן להשתמש בשיטות משלימות, כגון אלקטרופיזיולוגיה כדי לחקור את הדינמיקה הטמפורלית של נוירואקטיביות, או אימונוהיסטוכימיה כדי לאמת את הביטוי והספציפיות של האופסין. פיתוח הטכניקה הזו סלל את הדרך למדעני מוח לחקור קישוריות תפקודית במוח חי ושלם. אל תשכח שעבודה עם סורק MRI יכולה להיות מסוכנת ביותר.
יש לנקוט תמיד באמצעי זהירות כגון הרחקת ציוד מגנטי מספיק מהסורק בעת ביצוע הליך זה.
סקירה כללית
פרוטוקול זה מפרט את ההליך ואת ניתוח הנתונים לביצוע דימות תהודה מגנטית תפקודי אופטוגנטי (ofMRI), טכניקה המשלבת fMRI בשדה גבוה עם גרייה אופטוגנטית. שיטה זו מאפשרת לחוקרים למפות מעגלים עצביים תפקודיים ואת הדינמיקה שלהם במוחות חיים עם ספציפיות לסוג התא.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- טכניקות דימות
- אופטוגנטיקה
רקע
- ofMRI משלב fMRI וגירוי אופטוגנטי.
- טכניקה זו מאפשרת מיפוי מדויק של מעגלים עצביים.
- היא נותנת מענה לשאלות מפתח בנוגע לתפקודי מעגלי המוח.
- רזולוציה מרחבית גבוהה היא יתרון משמעותי של שיטה זו.
מטרת המחקר
- להדגים את השימוש ב-ofMRI לחקר מעגלים עצביים.
- לספק פרוטוקול מפורט עבור חוקרים.
- להדגיש את החשיבות של ניטור פרמטרים פיזיולוגיים במהלך ההליך.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת בעלי החיים והרדמה.
- קרניאוטומי והזרקת תמיסת וקטור לתוך המוח.
- השתלת כבל סיב אופטי וחיבורו למקור אור לייזר.
- שימוש בסורק MRI לדימות ורכישת נתונים.
תוצאות עיקריות
- מפות הפעלה מראות קשרים בין קליפת המוח המוטורית לבין התלמוס.
- הודגמה תגובה המודינמית מושהית בתלמוס.
- יישום מוצלח של סטימולציה אופטוגנטית במהלך הדמיה.
- ניתן להשלים את הפרוצדורה תוך כשעתיים.
מסקנות
- ofMRI הוא כלי בעל ערך לחקר קישוריות תפקודית במוח.
- שמירה על הפיזיולוגיה של בעלי החיים היא קריטית במהלך הפרוצדורה.
- שיטות משלימות יכולות להעמיק את ההבנה של דינמיקת הפעילות העצבית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
MRI תפקודי אופטוגנטי (ofMRI) מאפשר חקירה של מעגלים עצביים באופן ספציפי לסוג התא ברזולוציה מרחבית של המוח כולו, ובכך תומך בתיקוף מטרות בתהליך גילוי תרופות לנוירופסיכיאטריה. על ידי קישור של מניפולציה מדויקת במעגל לקריאות של פעילות מוחית גלובלית, השיטה משפרת את הפחתת הסיכונים המכניסטית ואת הביטחון החזוי בהיפותזות של מטרות בשלבים מוקדמים. יכולת זו מסייעת במיון תיקי פיתוח על ידי הבהרת קישוריות תפקודית הרלוונטית למודלים של מחלות ומנגנונים טיפוליים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של רכיבים ספציפיים במעגלי מוח המניעים פעילות גלובלית, ובכך תומך בבדיקה של היפותזות טיפוליות.
- ערך תפעולי: מספק גירוי ספציפי לסוגי תאים עם קריאה בעלת רזולוציה מרחבית גבוהה של דינמיקת המוח.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר מפות הפעלה המציגות קשרי סינפסה ארוכי טווח, כגון בין קליפת המוח המוטורית לתלמוס, לצורך תכנון בדיקות מבוססות מעגלים.
- ערך תפעולי: מספק מדידות כמותיות של אות BOLD המאפשרות השוואה בין תנאי גרייה ותגובות רשת.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול מערכות רלוונטי למחלות על ידי מיפוי קישוריות תפקודית במוחות חיים שלמים במצבים בריאים וחולים.
- ערך תפעולי: מאפשר רציפות משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני באמצעות דימות לא פולשני וחזרתי של פעילות נוירונלית.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת בביולוגיה של גילוי על ידי מתן אפשרות לבדיקת היפותזות לגבי תפקוד מעגלים, בסריקה באמצעות פלטים כמותיים המוכנים לבדיקה, ובמחקר תרגומי באמצעות מיפוי קונקטומי הרלוונטי למחלות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות, הבהרת מסלולים והסרת סיכונים ביולוגיים של מטרות עצביות.
- סריקה: מספקת סטנדרטיזציה של הבדיקה, הדירות ותוצאות BOLD כמותיות להערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מניבה נתונים של פונקציית תגובה המודינמית ומפות הפעלה להשוואת מעורבות מעגלים בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: מקשר לרצף פרה-קליני באמצעות ניטור של המוח השלם במודלים של מחלות.
- שימוש חוזר ארגוני: מהווה פלטפורמה לשימוש חוזר לצורך תיקוף מטרות מבוסס מעגלים בתוכניות גילוי בתחום מדעי העצבים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי, תיקוף מטרה, והפחתת עמימות מכניסטית בהיפותזות המבוססות על מעגלים.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה של מיפוי הפעלה מוחית ספציפית למעגלים.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות משופרת לגבי המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go), יעילות הון והפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים בתוכניות נוירופסיכיאטריות.
- השפעה על פורטפוליו: תיעוד סדרי עדיפויות והחלטות קידום מותאמות סיכון, המבוססות על מעורבות מטרה ברמת המעגל.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות במדעי המוח, אופטוגנטיקה ופיזיקה של MRI לצורך השתלה כירורגית ורכישת תמונות.
- נדרשים סורק MRI בשדה גבוה, מקור אור לייזר, שתלים של סיבים אופטיים ומערכות לניטור פיזיולוגי.
- נדרש תקינה אחידה בין צוותים עבור פרוטוקולים כירורגיים, פרמטרים של הולכת אור ורצפי הדמיה.
- כולל שיקולי התאמה בין מינים שונים, אזורי מוח ומערכות ביטוי של אופסינים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון פולשנות כירורגית, פיזור אור ברקמה ומורכבות של פרשנות אותים המודינמיים.
