Functional brain mapping in mice: development and implementation of MRI methodology for studying somatosensory transduction pathways

Abstract

A central issue in clinical and preclinical research is to unravel the molecular mechanisms underlying nociception and pain. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) allows the mapping of the function and dysfunction of large-scale brain circuits via the blood oxygenation level-dependent (BOLD) effect, which takes advantage of neurovascular coupling as surrogate of neuronal activity. Nociceptive studies in rats using fMRI have become integral parts of preclinical pain research. In contrast, mouse fMRI is far from being established, but gives access to a broad spectrum of transgenic mouse models. The combination of fMRI and mouse genomics holds great potential to elucidate the mechanisms that underlie nociception and pain. The goal of this thesis was the development and implementation of an fMRI methodology that can be used to investigate murine nociception. Such methodology requires a framework of technical advances, animal preparation and monitoring techniques, setup developments and automated data processing tools. An MR-compatible, feedback- controlled thermal stimulation device was designed and implemented to address distinct somatosensory transduction pathways, which permits research into clinically relevant forms of chronic pain, such as hyperalgesia and allodynia. But drawing appropriate conclusions from animal studies also depends on the extent to which the settings reflect physiological conditions. The application of general anesthesia is still inevitable in murine fMRI pain studies. In this work various techniques to monitor and maintain different aspects of murine physiology were utilized. These include the development of a tailored mouse cradle that generates a whole-body normothermic state of the anesthetized mouse during fMRI, reflecting the thermal status of awake, resting mice. This addresses a principal shortcoming of common mouse MRI setups. Conventional approaches to maintain normothermia during MRI were studied, which revealed body temperature distributions very different from the physiological awake state. The fMRI methodology and feasibility study are presented in the attached publication. It is the first report of fMRI in wildtype mice with mild noxious contact heat stimuli that attains significant BOLD patterns closely resembling those observed in humans – a basic requirement for translational studies. Possible stimulus related variations in mean arterial blood pressure (MABP) had recently been hypothesized as a potential confounder of the BOLD signal. Here, MABP variations throughout a stimulation paradigm in mice were investigated for the first time. In summary, these achievements lay the foundation towards studying nociceptive transduction pathways in transgenic mice using fMRI.

Die Entschlüsselung der molekularen Mechanismen von Nozizeption und Schmerz stellt ein zentrales Thema in der klinischen und präklinischen Forschung dar. Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ermöglicht die Untersuchung der Funktion und Dysfunktion größerer Verbände und Netzwerke von Nervenzellen im Gehirn auf der Grundlage des sog. blood oxygenation level-dependent (BOLD) Effekts. Diese indirekte Bildgebungstechnik bedient sich der neurovaskulären Kopplung als Surrogat für neuronale Aktivität. Nozizeptive fMRT-Studien an Ratten sind inzwischen integraler Bestandteil der präklinischen Schmerzforschung. FMRT in Mäusen hingegen ist bei weitem noch nicht etabliert, würde aber den Zugriff auf ein breites Spektrum an transgenen Mausmodellen erlauben. Die Kombination aus fMRT und Maus-Genetik birgt daher großes Potenzial für die Untersuchung der zugrunde liegenden Mechanismen von Nozizeption und Schmerz. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Implementierung einer Methodik, die eine Untersuchung muriner Nozizeption mittels fMRT ermöglicht. Eine solche Methodik erfordert hochwertiges technisches Equipment zur Verstärkung und Aufzeichnung der schwachen MR- Signale des kleinen Mausgehirns, angepasste Tierversuchsprotokolle, Techniken zur Überwachung physiologischer Parameter, Setup-Entwicklungen und automatisierte Datenverarbeitungswerkzeuge. Eine MR- kompatible, Feedback- gesteuerte Thermostimulationseinheit – zur thermischen Anregung spezifischer, somatosensorischer Signaltransduktionsbahnen – wurde entwickelt und implementiert, welche unter anderem die Untersuchung klinisch relevanter Formen chronischer Schmerzen, wie Hyperalgesie und Allodynie, erlaubt. Die Übertragbarkeit präklinischer Studien hängt aber auch davon ab, inwieweit diese unter physiologischen Bedingungen durchgeführt wurden. Die Anwendung von Anästhesie ist bislang unverzichtbar in murinen fMRT-Schmerzstudien. Daher wurden verschiedene Techniken zur Überwachung und Aufrechterhaltung physiologischer Parameter eingesetzt. Darunter fällt die Entwicklung einer Maushalterung, welche die Temperaturverteilung über den Körper der anästhesierten Maus so aufrechterhält, dass diese der Körpertemperatur einer wachen, ruhenden Maus entspricht. Durch eine Untersuchung konventioneller Verfahren zur Wärmung der Tiere konnte gezeigt werden, dass die Aufrechterhaltung normothermer Körpertemperaturen anästhesierter Mäuse im MR-Tomographen in konventionellen Halterungen nicht gegeben ist. Eine detaillierte Beschreibung der fMRT-Methodik und einer entsprechenden Evaluationsstudie sind in der beiliegenden Publikation enthalten. Durch die Applikation milder schmerzhafter Hitzestimuli ließen sich, bei Wildtyp- Mäusen, signifikante BOLD-Effekte in Gehirnarealen detektieren, die auch in Human- fMRT-Studien aktiviert gefunden wurden – eine Grundvoraussetzung für die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf den Menschen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie wurden mögliche Stimulus-induzierte Veränderungen des mittleren arteriellen Blutdrucks als potentieller Störfaktor des BOLD-Signals vermutet. In der vorliegenden Publikation wurden diese Blutdruckveränderungen erstmalig während eines somatosensorischen Stimulationsparadigmas in Mäusen untersucht. Zusammenfassend wurde mit dieser Arbeit der Grundstein für die Untersuchung nozizeptiver Transduktionswege in transgenen Mäusen mittels fMRT gelegt.