光遺伝学機能MRI

このイメージング手順の全体的な目標は、F-MRIと光遺伝学的刺激を組み合わせて、機能的な神経回路とそのダイナミクスを生きている脳全体に細胞タイプ特異的にマッピングすることです。この方法は、全体的な脳活動の駆動における特定の脳回路要素の役割を決定するなど、神経科学の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、細胞タイプ特異的な刺激と、全体的な脳活動の比較的高い空間分解能の読み出しを可能にすることです。

この手順を実演するのは、私の研究室の大学院生であるJia LiuとZhongnan Fangです。テキストプロトコルに記載されているように動物に麻酔をかけた後、電気かみそりで頭を剃り、ベタジンと70%エタノールリンスを使用して皮膚にトリプル外科的スクラブを行います。次に、動物の頭蓋骨を定位固定装置に固定します。

メスを使用して、頭皮の正中線を15〜20ミリメートル切開します。骨膜に取り付けられた外科用止血器を使用して頭皮を引っ込めます。頭蓋骨のラムダとブレグマの位置を特定し、ドリルビットを関心領域(ROI)上に配置します。

脳に穴を開けないように注意しながら、歯科用ドリルでROIに小さな開頭術をドリルで穴を開けます。マイクロリットルシリンジに取り付けられた針を開頭術を通して脳のROIにゆっくりと挿入します。次に、マイクロシリンジポンプコントローラーを使用して、2マイクロリットルのベクター溶液をROIに注入します。

注射が完了したら、10分待ってから、シリンジを毎分0.5ミリメートルの速度でゆっくりと取り外します。注射後、頭蓋骨の表面を乾かします。ROIの座標を確認し、フェルールインプラントを毎分0.5ミリメートルの速度で目標深度に挿入します。

最後に、歯科用セメントを使用してフェルールインプラントを頭蓋骨に取り付けます。歯科用セメントが固まったら、歯科用セメントキャップの周りの縫合糸で切開部を密封します。まず、光ファイバーパッチケーブルをレーザー光源に接続し、パッチケーブルのバレルの先端で出力をパワーメーターで測定します。

適切な電力レベルを調整して、脳内に埋め込まれた光ファイバーケーブルの先端で目的の出力を生成します。動物の目を覆うことにより、インプラントからの光漏れを防ぎます。次に、コイルを動物の頭の上に置きます。

フェルールスリーブを使用して、光ファイバーケーブルをフェルールインプラントにカップ保持します。動物が入ったクレードルをスキャナーの穴に挿入します。人工呼吸器を調整して生理学的値を適切な範囲内に保つことにより、実験全体を通して呼吸数と一回換気CO2および体温を監視します。

MRIスキャナーのトリガーポートからファンクションジェネレーターにBNCケーブルを接続します。位置決めシーケンスを選択し、操作ウィンドウで「スキャン」をクリックします。「続行」をクリックして、動物の頭の位置を画像化します。

脳がアイソセンタにない場合は、動物の頭の位置を調整し、脳がアイソセンタに来るまでポジショニングスキャンを繰り返します。高解像度の解剖学的画像を取得して、脳の全体的な完全性を確認し、光ファイバーインプラントの位置を確認します。次に、T2 重み付けシーケンスを選択します。

スライスの数を調整し、スキャンをクリックして、T2加重高解像度のコロナ解剖学的画像を取得します。最後に、エコーシーケンスをリコールしたマルチスライスグラディエントを選択し、続行をクリックして機能画像を取得します。このプロトコルでは、光遺伝学的 F-MRI を使用して、動物モデルの運動皮質を刺激します。

この活性化マップは、運動皮質と視床の活性化ボクセルを示しており、これらの領域間の長距離シナプス接続を示しています。ここでは、運動皮質の光遺伝学的刺激中に、運動皮質と視床の活性ボクセルについて太字の信号が示されています。視床の血行動態反応機能は、刺激後の運動皮質の反応に対して遅延反応を示します。

このビデオを見れば、移植手術や光遺伝学的機能的磁気共鳴画像法の実施方法についてよく理解できるはずです。このイメージング手順を習得すれば、2時間で完了することができます。この手順を試みる際には、動物を監視し、その生理機能を正常な範囲内に維持することが非常に重要です。

この手順に続いて、神経活動の時間的ダイナミクスを調査するための電気生理学や、オプシンの発現と特異性を検証するための免疫組織化学などの補完的な方法を使用できます。この技術の開発により、神経科学者は無傷の生きた脳の機能的結合性を調査する道が開かれました。MRIスキャナーでの作業は非常に危険であることを忘れないでください。

この手順に従うときは、磁気機器をスキャナーから十分に離すなどの予防策を常に講じる必要があります。