Optogenetic fMRI reveals therapeutic circuits of subthalamic nucleus deep brain stimulation

光遗传学 丘脑底核 脑深部刺激 神经科学 核心 刺激 功能连接 心理学 医学 帕金森病 内科学 疾病
作者
Yuhui Li,Sungho Lee,Chunxiu Yu,Li‐Ming Hsu,Tzu-Wen W. Wang,Khoa Do,Hyeonjoong Kim,Yen‐Yu Ian Shih,Warren M. Grill
标识
DOI:10.1101/2024.02.22.581627
摘要

While deep brain stimulation (DBS) is widely employed for managing motor symptoms in Parkinson's disease (PD), its exact circuit mechanisms remain controversial. To identify the neural targets affected by therapeutic DBS in PD, we analyzed DBS-evoked whole brain activity in female hemi-parkinsonian rats using function magnetic resonance imaging (fMRI). We delivered subthalamic nucleus (STN) DBS at various stimulation pulse repetition rates using optogenetics, allowing unbiased examinations of cell-type specific STN feed-forward neural activity. Unilateral STN optogenetic stimulation elicited pulse repetition rate-dependent alterations of blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) signals in SNr (substantia nigra pars reticulata), GP (globus pallidus), and CPu (caudate putamen). Notably, these manipulations effectively ameliorated pathological circling behavior in animals expressing the kinetically faster Chronos opsin, but not in animals expressing ChR2. Furthermore, mediation analysis revealed that the pulse repetition rate-dependent behavioral rescue was significantly mediated by optogenetically induced activity changes in GP and CPu, but not in SNr. This suggests that the activation of GP and CPu are critically involved in the therapeutic mechanisms of STN DBS.
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