DE102014003115A1

DE102014003115A1 - Verfahren und Halterung zur Untersuchung der Thermorezeption eines Lebewesens

Info

Publication number: DE102014003115A1
Application number: DE102014003115.2A
Authority: DE
Inventors: Henning Reimann; Andreas Pohlmann; Thoralf Niendorf; Jan Hentschel; Jaroslav Marek
Original assignee: Max Delbrueck Centrum fuer Molekulare in der Helmholtz Gemeinschaft
Current assignee: Max Delbrueck Centrum fuer Molekulare in der Helmholtz Gemeinschaft
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: DE102014003115B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Thermorezeption und/oder Thermoregulation eines Lebewesens (1), insbesondere einer Maus, bei dem Gehirnaktivitäten des bevorzugt anästhesierten Lebewesens (1) in Abhängigkeit von auf das Lebewesen (1) lokal ausgeübten Temperaturreizen mittels Magnetresonanztomographie erfasst werden, wobei das Lebewesen (1) in einem Magnetresonanztomographen (10) platziert und gewärmt wird und mittels wenigstens einem Stimulusgeber (6, 7, 8) ein Temperaturreiz auf wenigstens einen Körperbereich des Lebewesens (1) ausgeübt wird durch Kühlen oder Erwärmen des Körperbereichs, wobei innerhalb des Magnetresonanztomographen (10) der größte Teil der Körperoberfläche des Lebewesens (1) auf eine vorgegebene Körperoberflächen-Temperatur erwärmt/gekühlt wird, mit einem maximalen Temperaturunterschied zwischen dorsaler und ventraler temperierter Körperoberfläche des Rumpfes von 5%, insbesondere unter Aufrechterhaltung einer physiologischen Körperkerntemperatur. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Halterung zur Aufnahme eines Lebewesens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Thermorezeption und/oder Thermoregulation eines Lebewesens, insbesondere einer Maus, bei dem Gehirnaktivitäten des bevorzugt anästhesierten Lebewesens in Abhängigkeit von auf das Lebewesen lokal ausgeübten Temperaturreizen mittels Magnetresonanztomographie erfasst werden, wobei das Lebewesen in einem Magnetresonanztomographen platziert und gewärmt wird und mittels wenigstens einem Stimulusgeber ein Temperaturreiz auf wenigstens einen Körperbereich des Lebewesens ausgeübt wird durch Kühlen oder Erwärmen des Körperbereichs.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Halterung zur Aufnahme eines Lebewesens und zur Positionierung des Lebewesens im Messbereich eines Magnetresonanztomographen.
Im Stand der Technik ist es bekannt, die der Thermorezeption/Thermoregulation von Lebewesen zugrundeliegenden Mechanismen beteiligter Thermorezeptorproteine zu untersuchen. Häufig werden solche Untersuchungen an Nagetieren und bevorzugt an Mäusen durchgeführt, da sich gerade bei diesen Tieren die Möglichkeit ergibt, Thermorezeptorproteine beispielsweise durch genetische Manipulation gezielt zu beeinflussen.
Auf Verhaltensforschung basierende Untersuchungsmethoden gestatten keine Einblicke in die körperinterne Verarbeitung von Temperaturreizen im Gehirn, so dass sich im Stand der Technik zwischenzeitig die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) etabliert hat, um im lebenden Organismus Gehirnaktivitäten nicht-invasiv zu lokalisieren und insbesondere indirekt zu quantifizieren.
Hierfür wird ein Lebewesen, wie beispielsweise ein Nagetier, insbesondere eine Maus, lokalen Temperaturreizen ausgesetzt, wonach daraus resultierende Signaländerungen in MRT-Bildern erfasst werden und ausgewertet werden können. Besonders macht man sich hierbei die unterschiedlichen Eigenschaften von oxigeniertem gegenüber nicht-oxigeniertem Hämoglobin zunutze und erfasst auf dem blond-oxygenation-level-dependend (BOLD)-Effekt basierende MRT-Bilder. Die lokale Stimulation mit Temperaturreizen einer bestimmten Temperatur wird auch als fokale Temperaturstimulation bezeichnet.
Besonders bei kleinen Nagetieren und insbesondere bei Mäusen ist es dabei als Problem bekannt, dass die durch Temperaturreize induzierten Signaländerungen sehr gering und besonders anfällig für verschiedene messtechnische und physiologische Störquellen sind.
Es ergibt sich hieraus bereits eine Aufgabe der Erfindung, nämlich ein Verfahren und eine Halterung zur Untersuchung der Thermorezeption und/oder Thermoregulation von Lebewesen, insbesondere von Nagern und besonders bevorzugt von Mäusen bereitzustellen, mit denen reproduzierbar das Temperaturempfinden und/oder Schmerzempfinden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie erfasst werden kann.
Untersuchungen von Lebewesen, ausgenommen Menschen, im MR-Tomographen erfordern in der Regel die Verwendung einer Anästhesie, insbesondere bei Schmerzstudien. Als Problem ist es im Stand der Technik bekannt, dass eine Anästhesie des zu untersuchenden Lebewesens zu einer Störung der Thermogenese und somit zu einem Absinken der Körpertemperatur des Lebewesens führt.
Besonders bei Nagetieren und hier im Speziellen bei Mäusen kann eine Anästhesie zu einer starken und schnellen Körperkerntemperaturreduktion führen, wobei ein Abfall von 10°C pro Stunde oder mehr möglich ist. Da es sich herausgestellt hat, dass die Rezeption von Temperaturreizen stark durch die vorherrschende Körpertemperatur des untersuchten Lebewesens beeinflusst ist, stellt eine Grundvoraussetzung für die Untersuchung von physiologischer Thermorezeption oder Thermoregulation nach Stimulation eine stabile, bevorzugt physiologische Körpertemperatur des zu untersuchenden anästhesierten Lebewesens dar. Unter der physiologischen Körpertemperatur wird diejenige Temperatur verstanden, die das Lebewesen im nicht anästhesierten Zustand bei normalen Lebensbedingungen im Körperinneren aufweist.
Im Stand der Technik sind zur Erzielung einer möglichst physiologischen Körpertemperatur bereits Maßnahmen ergriffen worden, gemäß denen das anästhesierte Lebewesen im Magnetresonanztomographen gewärmt wird, beispielsweise durch Auflegen des Lebewesens auf eine geheizte Unterlage.
Als problematisch hat es sich hierbei erwiesen, dass das Lebewesen im Wesentlichen nur einseitig erwärmt wird und das Lebewesen weiterhin innerhalb des Magnetresonanztomographens in einer kühlen Umgebung gelagert ist, von beispielsweise lediglich 20°C. Diese geringe Umgebungstemperatur ergibt sich aus notwendigen Betriebsbedingungen eines Magnetresonanztomographen und führt dazu, dass das Lebewesen aufgrund der einseitigen Erwärmung einem starken Temperaturgradienten unterliegt, was sich weiterhin auf das Temperaturempfinden beziehungsweise die Reaktion des Lebewesens auf Thermostimulation auswirken könnte.
Es ergibt sich hieraus eine weitere Aufgabe der Erfindung, nämlich ein Verfahren und eine Halterung für Lebewesen zur Untersuchung der Thermorezeption bereitzustellen, mit denen möglichst physiologische Temperaturrahmenbedingungen für das zu untersuchende anästhesierte Lebewesen geschaffen werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halterung für Lebewesen, insbesondere für Nagetiere und bevorzugt für Mäuse bereitzustellen, mittels welcher auch eine hohe Reproduzierbarkeit der Thermostimulation hinsichtlich Qualität und Intensität sowie eine hohe Signalausbeute erzielt wird.
Zur Lösung vorgenannter Aufgaben schlägt die Erfindung vor, dass das eingangs beschriebene gattungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet wird, dass innerhalb des Magnetresonanztomographen der größte Teil der Körperoberfläche des Lebewesens auf eine vorgegebene Körperoberflächen-Temperatur erwärmt/gekühlt wird, mit einem maximalen Temperaturunterschied zwischen dorsaler und ventraler temperierter Körperoberfläche des Rumpfes von 5%. Bevorzugt erfolgt dabei die Temperierung so, dass die physiologische Körperkerntemperatur aufrechterhalten wird bzw. bleibt.
Unter dem Rumpf eines Lebewesens, insbesondere Nagetieres wird dabei der Bereich des Körpers zwischen Kopf und Schwanz verstanden ohne Extremitäten. Als größter Teil der Körperoberfläche wird verstanden, dass der erfindungsgemäß temperierte Teil mehr als 50%, weiter bevorzugt mehr als 75%, noch weiter bevorzugt mehr als 85% der gesamten Körperoberfläche, bevorzugt der Rumpfoberfläche, ausmacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren umgeht somit die auf Temperaturgradienten beruhenden und eingangs beschriebenen Probleme durch eine besonders gleichmäßige Temperierung der Körperoberfläche, insbesondere zumindest der Rumpfoberfläche des Lebewesens auf eine bestimmte vorgegebene, d. h. vor einer Stimulation festgelegte Körperoberflächentemperatur, die auch als globale Hintergrundtemperatur (GHT) bezeichnet werden kann.
Diese vorgegebene gewählte Körperoberflächentemperatur beschreibt also diejenige Temperatur, auf welche die Körperoberfläche des Lebewesens während des Versuches erwärmt bzw. gekühlt wird. Die gewählte Körperoberflächentemperatur, bzw. GHT stellt somit die Hintergrundtemperatur dar, vor welcher ausgehend ein lokaler bzw. fokaler, d. h. auf einen eingeschränkten Körperbereich ausgeübter Temperaturstimulus erfolgt. Die vorgegeben Körperoberflächentemperatur bzw. GHT kann, je nach Versuchsziel unterschiedlich gewählt werden:

i) es wird eine Neutraltemperatur gewählt, die von dem Lebewesen weder als warm noch als kalt empfunden wird, insbesondere zur Gewährleistung einer physiologischen Thermorezeption
ii) es werden unterschiedliche Temperaturen eines zu untersuchenden Bereiches gewählt, insbesondere zur Untersuchung des Einflusses der GHT auf die Thermorezeption
iii) es wird eine GHT gewählt, die von der Neutraltemperatur abweicht und hinreichend hoch ist, um der Auskühlung des Körperkerns des Lebewesens hervorgerufen durch die Nebeneffekte bestimmter Anästhetika entgegenzuwirken, insbesondere also zur Aufrechterhaltung der physiologischen Körperkerntemperatur anästhesierter Tiere

Beispielhafte Kriterien für die Wahl der genannten vorgegebenen Körperoberflächentemperaturen/GHT werden im Folgenden erklärt.
Die GHT als Neutraltemperatur
Unter der Neutraltemperatur wird eine Temperatur verstanden, bei dem das untersuchte Lebewesen weder ein Wärmeempfinden noch ein Kälteempfinden verspürt und die Temperatur somit als neutral empfunden wird. Allerdings kann aufgrund von Adaptationsmechanismen ein nicht kleiner Temperaturbereich nach einer gewissen Zeit der Gewöhnung von einem Lebewesen als neutral oder indifferent empfunden werden. Daher wird in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen als Neutraltemperatur im Sinne der weitergebildeten Erfindung eine solche Temperatur zu wählen, bei der keine Energie aufgewandt werden muss um Körperwärme zu erzeugen oder abzuführen. Diese Temperatur liegt bevorzugt in der sehr viel schmaleren thermoneutralen Zone, einem metabolisch definierten Temperaturbereich. Bei Mäusen im Ruhezustand wird diese Temperatur im Bereich von 30°C bis 32°C erreicht.
Diese Neutraltemperatur ist von Lebewesen zu Lebewesen leicht unterschiedlich und kann demnach erfindungsgemäß in Abhängigkeit des zu untersuchenden Lebewesens gewählt werden.
Eine erfindungsgemäße Temperierung der Körperoberfläche, besonders bevorzugt eine Temperierung der vollständigen Körperoberfläche des Lebewesens im Neutraltemperaturbereich, führt somit zu deutlich besser reproduzierbaren Temperaturstimuli und einer verbesserten Signalerfassung in der funktionellen Magnetresonanztomographie, da ausgehend von der auf die Neutraltemperatur erwärmte Körperoberfläche nun die Möglichkeit besteht, gezielt lokale Temperaturstimuli an dem Lebewesen anzuwenden, die sich ausgehend von der Neutraltemperatur entweder in Richtung geringerer oder auch höherer Temperaturen einstellen lassen. Das Lebewesen kann so gezielt einem Kältereiz oder Wärmereiz ausgesetzt werden. Vor allem die Festlegung definierter Körperoberflächentemperaturen mit der erfindungsgemäß erzielten gleichmäßigen Verteilung, insbesondere auch in Verbindung mit der Schaffung einer temperierten Umgebung um das Lebewesen herum, bevorzugt im Bereich im Innern einer Halterung klammert die Umgebungstemperatur in einem MR-Tomographen als möglichen Variabilitätsfaktor aus und erhöht so die Vergleichbarkeit der Ergebnisse.
Untersuchung des Einflusses der GHT auf die Thermorezeption
Ein weiterer Aspekt, den die Erfindung vorsieht ist es, die Untersuchung des Einflusses der Körperoberflächentemperatur und/oder einer Umgebungstemperatur, insbesondere innerhalb einer Halterung auf die Thermorezeption zu ermöglichen. Dabei werden gezielt Körperoberflächentemperaturen und/oder Umgebungstemperaturen eingestellt, die von der Neutraltemperatur nach wärmer oder kälter abweichen. Die Ergebnisse können hinsichtlich ihrer Unterschiede zur Neutraltemperatur untersucht werden.
Die GHT zur Aufrechterhaltung physiologischer Körperkerntemperatur
Die Aufrechterhaltung der physiologischen Körperkerntemperatur ist eine notwendige Maßnahme zur Gewährleistung der Funktionstüchtigkeit aller Organe eines Lebewesens. Unter physiologischen Bedingungen wird die Abgabe bzw. Aufnahme von Wärme durch die Körperperipherie genutzt, um die wichtigen Organe des Körperkerns (Herz, Hirn, Rückgrad, etc.) thermisch zu stabilisieren. Bei anästhesieinduzierter Störung der Thermogenese in kühler Umgebung fließt die Wärme ungehindert aus dem Körperkern in die Peripherie und wird dort über die Körperoberfläche abgegeben.
Von einigen weit verbreiteten Anästhetika wird die Thermogenese der Lebewesen so stark beeinflusst, dass eine Erwärmung des Lebewesens im Bereich der Neutraltemperatur unter Umständen nicht ausreicht um eine physiologische Körperkerntemperatur aufrechtzuerhalten. Um einem Wärmeverlust des Lebewesens an die Umgebung entgegenzuwirken, muss die Umgebungstemperatur in diesem Fall der Körperkerntemperatur entsprechen. Diese beträgt insbesondere bei der Maus 36°C. Ein solcher Ansatz kann die Temperaturempfindung des Lebewesens beeinflussen, aber ermöglicht durch die gleichmäßige Erwärmung der Körperoberfläche und dem engen, definierten Temperaturbereich einen Vergleich von Gruppen und einzelnen Lebewesen durch die Anwendung der jeweils gleichen thermischen Bedingungen einer Gruppe.
Aus den oben genannten Gründen ist es für physiologische Thermorezeption erstrebenswert, eine möglichst thermoneutrale Umgebungstemperatur bei Aufrechterhaltung physiologischer Körperkerntemperatur als Ausgangspunkt für Thermostimulation zu ermöglichen. Bei Verwendung von Anästhetika, die die Thermogenese stark beeinflussen, soll ermöglicht werden, eine Temperatur wählen zu können, die insbesondere möglichst wenig von der Neutraltemperatur abweicht, aber ausreicht, die Körperkerntemperatur aufrechtzuerhalten.
Da es für die Erfindung wesentlich ist eine möglichst gleichmäßige Körperoberflächentemperatur bei dem Lebewesen zu erzielen kann es vorgesehen sein, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Halterung einzusetzen, die sich dadurch auszeichnet, dass sie wenigstens einen ersten temperierbaren Teil umfasst, mit dem die Körperoberfläche eines Lebewesens ventral temperierbar ist und wenigstens einen zweiten temperierbaren Teil umfasst, mit dem die Körperoberfläche des Lebewesens dorsal temperierbar ist, wobei die temperierbaren Teile jeweils wenigstens einen Heizkreis oder Kühlkreis umfassen und die wenigstens zwei Heizkreise oder Kühlkreise unabhängig voneinander regelbar sind. Bevorzugt können diese temperierbaren Teile der Halterung einander gegenüberliegen, wobei ein Lebewesen in der Halterung vorzugsweise in den Bereich zwischen den temperierbaren Teilen aufgenommen wird. So kann eine zumindest zweiseitige Temperierung vorgenommen werden, nämlich zumindest von dorsal und von ventral. Eine Weiterbildung kann auch vorsehen, mehr als zwei temperierbare Teile zu verwenden, wobei bevorzugt alle temperierbaren Teile einen Raumbereich umschließen, in den das zu temperierende Lebewesen aufgenommen werden kann. Dieser Raumbereich und das darin angeordnete Lebewesen können somit gezielt temperiert werden. Die erwärmbaren Teile der Halterung können zusammen einen im Inneren temperierten Raum bilden, der den Körper des Lebewesens umgibt, insbesondere schalenförmig.
Zum einen ergibt sich so die erfindungsgemäß geforderte Gleichmäßigkeit der Körperoberflächentemperatur und zum anderen ergibt sich in der Halterung ein gegenüber der Umgebung des Magnetresonanztomographen unterschiedlich temperierter Raum.
Eine erste mögliche Ausgestaltung der Halterung kann es hier vorsehen, dass sie eine Auflage umfasst, auf die der Körper des Lebewesens auflegbar ist, wobei die Auflage zumindest zum Teil den wenigstens einen ersten, insbesondere ventralen temperierbaren Teil der Halterung bildet, mit dem der Körper des Lebewesens durch Kontakt temperierbar ist und der wenigstens eine zweite insbesondere dorsale temperierbare Teil den Körper des Lebewesens zumindest bereichsweise dorsal umgebend und kontaktfrei zum Körper des Lebewesens positionierbar/positioniert ist.
In einer möglichen Anwendung kann es sodann vorgesehen sein, dass die Auflage auf die gewünschte vorgegebene Körperoberflächentemperatur temperiert, also geheizt oder gekühlt wird. Der Wärmeübergang erfolgt hier demnach durch den Kontakt zwischen Körper und Auflage.
Der den Körper des Lebewesens nicht kontaktierende, insbesondere den Körper in einem Abstand umgebende zweite Teil der Halterung, kann bevorzugt auf eine Temperatur eingestellt werden, die zur gewünschten vorgegebenen Körperoberflächentemperatur/GHT an der Körperoberfläche des Lebewesens führt.
Da einige Bereiche, insbesondere ein großer Teil der Körperoberfläche des Lebewesens nicht durch die Halterung kontaktiert ist, sieht es die Erfindung weiterhin vor, eine im wesentlichen auf Konvektion und/oder auf Wärmestrahlung beruhende Temperierung der Körperoberfläche mit dem zweiten temperierbaren Teil vorzunehmen, um so auch in den übrigen nicht-kontaktierten Körperoberflächenbereichen die gewünschte Körperoberflächentemperatur GHT zu erzielen.
Bei einer Erwärmung wird es vorgesehen sein, die Temperatur auf welche dieser zweite Teil eingestellt wird höher zu wählen als die gewünschte vorgegebene Körperoberflächentemperatur und bei einer Kühlung geringer. Hierdurch wird kompensiert, dass der Wärmeübergang durch Strahlung und/oder Konvektion kleiner ist als bei einem direkten Kontakt.
Eine Halterung zur Aufnahme eines Lebewesens und zur Positionierung eines Lebewesens im Messbereich eines Magnetresonanztomographen kann es demnach in dieser erfindungsgemäßen Ausführung vorsehen, dass die Auflagefläche einen erwärmbaren Teil der Halterung bildet, der durch ein Heiz-/Kühlsystem insbesondere zur Erreichung der gewünschten Körperoberflächentemperatur/GHT erwärmbar/kühlbar ist.
Ein solches Heiz-/Kühlsystem, kann beispielsweise durch eine elektrische Widerstandsheiz-/kühlung erfolgen oder eine flüssigkeitsbasierte Heiz-/Kühlung, in welcher das wärmetransportierende/-aufnehmende Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, im Kreislauf gepumpt wird.
Die Halterung kann es hierbei vorsehen, dass ein oder mehrere weitere, insbesondere unabhängige erwärmbare/kühlbare, Heiz-/Kühlkörper kontaktfrei zum Körper des Lebewesens positioniert werden können.
Eine erfindungsgemäße Ausführung kann es hier vorsehen, eine Messsensorik mit wenigstens einem Sensor, bevorzugt mehreren verteilten Sensoren zum Messen der Umgebungs-, Körperoberflächen-, und Körperkerntemperatur einzusetzen, bevorzugt unter Verwendung faseroptischer Temperatursonden, insbesondere zwecks Realisierung einer rückgekoppelter Regelung der Heiz-/Kühlung(en).
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Halterung beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit gegenüber dem bisherigen Stand der Technik ein den Körper des zu untersuchenden Lebewesens umgebender Raum geschaffen, in dessen Inneren die Temperatur höher/niedriger ist als die Umgebungstemperatur im Messbereich des Magnetresonanztomographen, welche üblicherweise im Bereich von etwa 20°C liegt. Auf diese Weise kann das Lebewesen, insbesondere das anästhesierte Lebewesen, nicht nur auf der physiologischen Körperkerntemperatur gehalten werden (zur Untersuchung der physiologischen Thermorezeption), sondern auch der Einfluss unterschiedlicher Umgebungstemperaturen gezielt untersucht werden.
Um eine Wärmung/Kühlung des Tieres vollständig durch Konvektion und/oder Strahlung zu erzielen kann es die Erfindung in einer anderen Ausführung auch vorsehen, statt einer erwärm-/kühlbaren Auflagefläche ein nicht aktiv temperiertes Auflagelement (z. B. ein Gitter oder Netz) zu verwenden, welches als Auflage für das Lebewesen genutzt werden kann, zwecks gleichmäßigerer, konvektiver Erwärmung/Kühlung des Lebewesens.
In diesem Fall können die nicht aktiv temperierte Auflage die zwischen dem wenigstens einen dorsalen und dem wenigstens einen ventralen temperierbaren Teil angeordnet sein, die jeweils kontaktfrei zum Körper eines Lebewesens positioniert/positionierbar sind. Die Auflage kann bevorzugt Durchbrechungen/Öffnungen umfassen, durch die die Körperoberfläche eines Lebewesens konvektiv, aber bevorzugt auch durch Strahlung temperierbar ist.
Auch in diesem Fall bilden die erwärmbaren Teile der Halterung zusammen einen im Inneren temperierten Raum, der den Körper des Lebewesens umgibt, insbesondere schalenförmig.
Der wenigstens eine erste temperierbare Teil und der wenigsten eine zweite Teil können auch eine bauliche Einheit ausbilden, sofern zumindest die unabhängige Temperierung für jeden der temperierbaren Teile vorliegt durch z. B. getrennte Heiz- bzw. Kühlkreise. So kann z. B. die Halterung eine Röhre umfassen, deren Wandung wenigstens zwei unabhängig voneinander temperierbare Teile/Bereiche umfasst, insbesondere wobei wenigstens ein Teil ventral und ein Teil dorsal angeordnet sein kann. In der Röhre kann eine Auflage vorgesehen sein.
Es kann bei einer Haltung bei dem den Körper überdeckenden Halterungsteil und insbesondere bei einer Röhre vorgesehen sein, in Umfangsrichtung mehrere, wenigstens zwei individuell temperierbare Teile vorzusehen. Ein andere, auch kumulativ kombinierbare Ausführung kann vorsehen, in Richtung Caudal-Cranial eine Unterteilung in wenigstens zwei temperierbare Teile vorzunehmen.
Die Materialien, aus denen die Halterung gefertigt ist, insbesondere die der sich in unmittelbare Nähe des Lebewesens befindlichen Teile, sind so gewählt, dass diese das Magnetfeld des MRT nicht beeinflussen, also unmagnetisch und nicht magnetisierbar sind.
Zur Applikation von Temperaturstimuli kann es eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens beziehungsweise auch der erfindungsgemäßen Halterung vorsehen, dass die Halterung z. B. in einer Auflagefläche, welche die Körperoberfläche des Lebewesens kontaktiert, einen Temperaturstimulationsgeber umfasst, z. B. eine Thermode. Bei Anordnung in der Auflagefläche kann dieser Stimulationsgeber bündig mit der Auflagefläche angeordnet sein. Die Temperatur des Stimulationsgebers ist änderbar, bevorzugt ausgehend von der vorgegebenen Körperoberflächentemperatur.
Unter einer Thermode wird allgemein ein Element verstanden, welches geeignet ist, einen Temperaturreiz auf ein Lebewesen, insbesondere im Bereich der Kontaktierung der Körperoberfläche des Lebewesens auszuüben. Die fokale Stimulationstemperatur (FST) kann insbesondere wunschgemäß eingestellt werden. Hier sieht es die Erfindung besonders vor, dass die Thermode, sofern kein Temperaturstimulus mit ihr ausgeübt wird, auf die vorgegebenen Körperoberflächentemperatur/GHT eingestellt ist, insbesondere auch die weiteren Flächenbereiche des Auflageelementes, auf welchem der Körper des zu untersuchenden Lebewesens aufliegt und solche, die die Thermode umgeben.
Eine weiterhin bevorzugte Ausführung kann es hier vorsehen, dass die Thermode innerhalb der Auflagefläche in einem Bereich angeordnet ist, der eine dem Körperteil des zu untersuchenden Lebewesens angepasste Form, z. B. einen Negativabdruck, aufweist bzw. diesem zumindest ähnlich ist. Hierbei kann die Thermode selbst und/oder die Umgebung diese angepasste Form aufweisen.
Die Thermode ist demnach von einem Bereich der Auflagefläche umgeben, der einen solchen Negativabdruck darstellt und/oder bildet diesen selbst, wobei es sich beispielsweise um einen Negativabdruck einer Pfote des zu untersuchenden Lebewesens handeln kann, wenngleich die Erfindung nicht auf dieses Körperteil und den diesbezüglichen Negativabdruck beschränkt ist. Unter einem Negativabdruck wird auch verstanden, wenn die Form desselben nur die Grundzüge der anatomischen Form des Körperteils nachbildet, nicht jedoch identisch ist zum Negativen des Körperteils ist.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Körperteil, auf welches der Temperaturstimulus ausgeübt werden soll, positionsreproduzierbar auf der Auflagefläche bzw. dem Temperaturstimulusgeber angeordnet werden kann und hierdurch auch sichergestellt ist, dass die Ausübung des Temperaturstimulus an exakt der gewünschten Körperregion stattfindet.
Statt einer kontaktierenden Ausführung eines Temperaturstimulusgebers kann auch eine nicht kontaktierende Ausbildung vorgesehen sein, z. B. dadurch, dass ein Körperteil durch Laserstrahlung erwärmt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Halterung weiterhin eine Andruckvorrichtung umfasst, mittels der ein Körperteil eines Lebewesens an die Thermode beziehungsweise an den in der Auflagefläche vorgesehenen Negativabdruck des Körperteils angedrückt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführung sieht es hier vor, dass eine solche Andruckvorrichtung ein fluidfüllbares beziehungsweise fluidgefülltes Element umfasst, dessen Volumen von flexiblen Wänden umgrenzt ist. Eine solche Andruckvorrichtung kann beispielsweise ein fluidfüllbares beziehungsweise gefülltes Kissen sein, oder ein Ballon sein, wobei eine weiterhin bevorzugte Ausbildung vorsieht, dass das Volumen der Andruckvorrichtung, also beispielsweise des Kissens oder des Ballons, über einen Kanal beziehungsweise Schlauch mit einem Fluidreservoir verbunden ist, bevorzugt einem solchen, der zur umgebenen Atmosphäre hin offen ist, so dass durch den Füllstand im Fluidreservoir der hydrostatische Druck in der Andruckvorrichtung eingestellt werden kann und somit auch diejenige Kraft, mit welcher dasjenige Körperteil an der Thermode angedrückt wird, welches einem Temperaturreiz ausgesetzt werden soll.
Hier kann die Erfindung weiterhin vorsehen, dass die Halterung ein ortsfestes Anlageelement umfasst, an welches das fluidgefüllte Element der Andruckvorrichtung zumindest einseitig anliegt beziehungsweise anlegbar ist, wobei an der anderen Seite das fluidfüllbare beziehungsweise gefüllte Element mit dem Körperteil in Verbindung steht. Auch diese Anlage kann selbst ein fluidgefülltes Element sein.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Thermode, die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie einer Halterung zum Einsatz kommen kann, kann hier vorliegend derart ausgebildet sein, dass diese durch ein Kontaktelement gegeben ist, welches zu einer Seite hin ein Peltier-Element wärmeleitend kontaktiert, wobei ein das Lebewesen kontaktierender Flächenbereich des Kontaktelementes nicht größer ist als ein das Peltier-Element kontaktierender Flächenbereich des Kontaktelementes. Das Kontaktelement kann somit in seiner Erstreckungsrichtung vom Peltierelement zum Lebewesen eine Querschnittsflächenverjüngung aufweisen, welche stufenartig, aber auch stetig ausgebildet sein kann.
Die Flächenform desjenigen Flächenbereiches, der das Lebewesen kontaktiert kann an den zu kontaktierenden Körperbereich angepasst sein, insbesondere von der rechteckigen oder kreisrunden Form abweichend sein. Auch kann dieser kontaktierende Flächenbereich eine an die anatomische Form des zu kontaktierenden Körperteils angepasste Form aufweisen, z. B. in Sinne der genannten Negativform.
Zwar ist es im Stand der Technik allgemein bekannt, Peltier-Elemente einzusetzen, um Temperaturstimuli auf Körperbereiche von Lebewesen auszuüben, aus physikalischen Gründen müssen Peltier-Elemente jedoch eine gewisse Größe aufweisen, die gerade bei der Untersuchung von Kleinlebewesen, wie beispielsweise Nagetieren und insbesondere Mäusen keine fokale Stimulation verhältnismäßig kleiner Bereiche zulässt.
Die Erfindung sieht es nun vor, nicht das Peltier-Element direkt in Kontakt mit einem zu stimulierenden Körperbereich des Lebewesens zu bringen, sondern indirekt über das beschriebene wärmeleitende Kontaktelement, welches auf Seiten des zu kontaktierenden Lebewesens eine kleinere Kontaktfläche aufweist als auf Seiten des Peltier-Elementes.
Die mittels eines so modifizierten Peltier-Elementes ausübbaren Temperaturstimuli werden demnach durch das Kontaktelement konzentriert auf die gegenüber dem Peltier-Element kleinere Körperkontaktfläche des Lebewesens.
Hierdurch erschließt sich eine deutlich definiertere Applikation eines Temperaturstimulus bei Nagetieren und insbesondere Mäusen gegenüber dem Stand der Technik, was weiterhin auch in reproduzierbaren Signalausbeuten resultiert.
Die Erfindung kann es hier auch weiterhin vorsehen, nahe des das Lebewesen kontaktierenden Flächenbereichs des Kontaktelementes, einen Temperatursensor anzuordnen sowie auch nahe des das Peltier-Element kontaktierenden Flächenbereiches des Kontaktelementes einen weiteren Temperatursensor vorzusehen, um eventuelle Temperaturabweichungen zwischen der stimulierenden Kontaktfläche des Kontaktelementes und der am Peltier-Element anliegenden Fläche des Kontaktelementes kompensieren zu können, insbesondere durch eine Nachregelung in der Stromansteuerung des Peltier-Elementes, um die Temperaturdifferenz zwischen der Ist-Temperatur an dem, dem Lebewesen zugewandten, Teil des Kontaktelementes und der gewünschten Soll-Temperatur zu minimieren.
Das Konzept des Verfahrens ist nicht auf die Verwendung einer Kontakthermode als stimulationsgebendes Element beschränkt, insbesondere andere thermische Stimulationsgeber wie z. B. LASER (für punktgenaue Hitzestimulation), Verdunstungs-basierte Kühlung (z. B. durch Aceton) oder die Kombination aus Peltier-Element und Thermofolie sind ebenso denkbar und je nach Anwendung und Versuchsziel möglicherweise besser geeignet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Abbildungen näher erläutert.
Die zeigt im Ausschnitt einen Teil einer erfindungsgemäßen Halterung mit welcher ein Lebewesen (1), von welchem vorliegend nur eine Pfote (1a) dargestellt ist, innerhalb eines nicht gezeigten Magnetresonanztomographens angeordnet und untersucht werden kann. Diese Halterung weist einen Teil (2) auf, der eine Auflagefläche ausbildet, welche erfindungsgemäß zumindest einen Teil des Körpers des zu untersuchenden Lebewesens (1) kontaktiert und auf eine gewünschte Körperoberflächentemperatur/GHT temperiert ist.
Zwischen der Auflagefläche (2) und einem ortsfesten Anlageelement (3) ist hier ein fluidfüllbares Kissen (4) angeordnet, mit welchem die Pfote (1a) des Lebewesens mit einem Druck beaufschlagt werden kann, um die Pfote (1a) in Richtung der Auflagefläche (2) zu drücken, hier nämlich in Richtung einer in der Auflagefläche (2) angeordneten Thermode (6), mit der auf die Pfote ein Temperaturstimulus ausgeübt werden kann.
Die Auflagefläche (2) ist im Bereich um die Thermode im Wesentlichen als Negativform der Pfote ausgebildet oder weist zumindest Erhöhungen und/oder Vertiefungen auf, zur Aufnahme korrespondierender Körperbereiche der Pfote. Die Stimulationsfläche (5) der Thermode befindet sich innerhalb dieser Negativform, so dass durch die Positionierung der Pfote (1a) gewährleistet ist, dass der gewünschte Körperbereich dem Temperaturstimulus unterliegt.
Die Thermode selbst ist hier als ein Kontaktelement (6) ausgebildet, welches einen zu einem Peltier-Element (7) weisenden Flächenbereich aufweist, der größer ist als der zum Lebewesen weisende und in die Fläche des Auflageelementes (2) insbesondere bündig eingelassene stimulierende Flächenbereich, was dadurch erzielt wird, dass das Kontaktelement (6) sich in Richtung zum Lebewesen im Querschnitt verjüngt.
Das Peltier-Element (7) kann auf der vom Lebewesen (1) abgewandten Seite mit einer als Wärmequelle oder Wärmesenke dienenden Vorrichtung (8) verbunden sein, um möglichst schnelle Temperaturänderungen ausgehend von der GHT des Lebewesens zu ermöglichen.
Hierfür kann das als Wärmequelle oder Wärmesenke dienende Element (8) ein flüssigkeitsdurchströmtes Element sein, das wärmeleitend mit einer ersten Fläche des Peltier-Elementes verbunden ist, wohingegen die zweite Fläche des Peltier-Elementes mit dem zuvor beschriebenen Kontaktelement (6) wärmeleitend in Verbindung steht. Erste und zweite Fläche des Peltierelementes sind diejenigen, zwischen denen das Peltierelement Wärmeenergie transferiert.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass hier beispielsweise eine Maus (1) oder ein sonstiges Nagetier auf der Auflagefläche (2) einer erfindungsgemäßen Halterung positioniert ist, wobei gemäß die Auflagefläche (2) noch zusätzlich von einer beheizten Abdeckung (9) überdeckt ist, so dass sich das zu untersuchende Lebewesen (1), hier insbesondere die Maus, in einem im Wesentlichen abgeschlossenen Raum (11) befindet, der eine höhere Temperatur von hier z. B. 30 Grad Celsius bzw. Neutraltemperatur aufweist, gegenüber der geringeren Temperatur in der MRT Untersuchungsröhre (10) von beispielsweise 18 Grad Celsius.
Es kann so in diesem Raum (11), in dem sich das Lebewesen (1) befindet, eine physiologische Körpertemperatur des Lebewesens aufrechterhalten werden, bei möglichst gleichmäßiger Erwärmung der Körperoberfläche des Lebewesens (1). Die Neutraltemperatur stellt eine ideale Vorraussetzung dar, um Temperaturstimuli zu applizieren, jedoch können je nach Versuchsziel auch andere Temperaturen verwendet werden. Nach einem Stimulus kann sodann in üblicher und im Stand der Technik bekannter Art und Weise mittels des Magnetresonanztomographen die daraus resultierende Gehirnreaktion festgehalten und evaluiert werden.
zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen, modularen Halterung, z. B. für Mäuse als Explosivdarstellung. Form und Maße der Halterung können angepasst sein an eine spezielle Tieftemperatur-MR-Sende-Empfangseinheit (sog. Radiofrequenz(RF)-Spule) eines Kleintier-Magnetresonanztomographen, die ein besonders hohes Verhältnis von Signal zu Rauschen ermöglicht, jedoch den für die Halterung zur Verfügung stehenden Raum limitiert. Die Halterung selbst umfasst hier zusammensetzbare Module, die im Folgenden beschrieben werden:
Ein Rumpf 12 bildet die Basis der Halterung, in dem ein erster Heiz-/Kühlkörper 13 als temperierbarer erster Teil, sowie das Stimulationssystem angeordnet ist, umfassend Kontaktthermode CT, Peltier-Element PE, einen gezahnten Kupferblock HS in einem wasserdurchflossenem Gehäuse 13 als Wärmesenke/-quelle zur Beschleunigung des Hitzetransfers zum Peltier-Element hin bzw. davon weg. Zwei Abstandhalter 14 an der Spitze der Halterung dienen der exakten Positionierung der Halterung (insbesondere des sich darauf befindlichen Tieres) unter der RF-Spule.
Auf den Rumpf 12 kann nun eine zweite Ebene 15 gesetzt werden, die als Auflagefläche für z. B. eine Maus dient. Der Kopf des bevorzugt anästhesierten Tieres wird mittels einer speziellen Vorrichtung, umfassend eine Atemmaske bzw. einen Ventilationsblock 16 und einer Ohrhalterung 17, stereotaktisch fixiert. Das Auflageelement 18 kann aus einer geschlossenen, dem Heiz-/Kühlkörper des Rumpfes 12 direkt aufliegenden Fläche bestehen oder z. B. durch ein Gitter realisiert sein, das in einem gewissen Abstand über dem Heiz-/Kühlkörper positioniert wird. Eine Vorrichtung 19 zur Ausübung von Kontaktdruck zwischen Pfote und Thermode befindet sich direkt über dem Stimulationssystem, umfassend ein fluidgefülltes Kissen 19a, ein ortsfestes Anlageelement 19b und der Auflagefläche, hier mit entsprechend komplementären Ausformungen zur Positionierung der zur stimulierenden Pfote auf der Kontaktthermode.
Durch einen weiteren, schalenförmigen Heiz-/Kühlkörper 20, der von oben auf die Auflagefläche 18 gesetzt wird, wird ein autonom temperierter Raum gebildet, der eine gleichförmige Erwärmung/Kühlung der Körperoberfläche des Tieres auf eine gewünschte GHT ermöglicht. Hier besteht der obere Heiz-/Kühlkörper 20 aus zwei ineinander gelagerten Schalen 20a und 20b in deren Zwischenraum Silikonschläuche 21 gelagert sind, durch die das wärmetransportierende/-aufnehmende Medium, bevorzugt Wasser, geleitet wird.
Insbesondere die innere Schale 20a trägt die Schläuche, wobei es vorgesehen sein kann, mehr als einen Heizkreis hier auszubilden, insbesondere einen caudalen und einen cranialen.

Claims

Verfahren zur Untersuchung der Thermorezeption und/oder Thermoregulation eines Lebewesens (1), insbesondere einer Maus, bei dem Gehirnaktivitäten des bevorzugt anästhesierten Lebewesens (1) in Abhängigkeit von auf das Lebewesen (1) lokal ausgeübten Temperaturreizen mittels Magnetresonanztomographie erfasst werden, wobei das Lebewesen (1) in einem Magnetresonanztomographen (10) platziert und gewärmt wird und mittels wenigstens einem Stimulusgeber (6, 7, 8) ein Temperaturreiz auf wenigstens einen Körperbereich des Lebewesens (1) ausgeübt wird durch Kühlen oder Erwärmen des Körperbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Magnetresonanztomographen (10) der größte Teil der Körperoberfläche des Lebewesens (1) auf eine vorgegebene Körperoberflächen-Temperatur erwärmt/gekühlt wird, mit einem maximalen Temperaturunterschied zwischen dorsaler und ventraler temperierter Körperoberfläche des Rumpfes von 5%, insbesondere unter Aufrechterhaltung einer physiologischen Körperkerntemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebewesen (1) in einer Halterung (2, 9; 12, 15, 20) aufgenommen ist und mit der Halterung (2, 9; 12, 15, 20) im Magnetresonanztomographen (10) platziert ist/wird, wobei die temperierbaren Teile (2; 18) der Halterung (2, 9; 12, 15, 20), welche den Körper des Lebewesens (1) direkt kontaktieren, insbesondere eine Auflage (2, 18) auf welcher das Lebewesen (1) aufliegt, auf die vorgegebene Körperoberflächentemperatur erwärmt/gekühlt werden, und/oder die temperierbaren Teile (9, 20a) der Halterung (2, 9; 12, 15, 20), die den Körper des Lebewesens (1) nicht kontaktieren, insbesondere den Körper in einem Abstand umgebende temperierbare Teile der Halterung auf eine Temperatur erwärmt/gekühlt werden, die in der vorgegebenen Körperoberflächentemperatur des Lebewesens (1) resultieren, insbesondere wofür diese temperierbaren Teile bei einer Erwärmung auf eine Temperatur über der vorgegebenen Körperoberflächentemperatur und bei einem Kühlen auf eine Temperatur unter der vorgegebenen Körperoberflächentemperatur temperiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichzeitiger Verwendung von den Körper des Lebewesens (1) kontaktierenden sowie nicht-kontaktierenden temperierbaren Teilen der Halterung (2, 9; 12, 15, 20), die Erwärmung/Kühlung der verschiedenen temperierbaren Teile mittels wenigstens zwei unabhängig voneinander regelbarer Heiz- und/oder Kühlsysteme erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Teile der Halterung (2, 9; 12, 15, 20) ein den Körper des Lebewesens (1) umgebender Raum (11) gebildet wird, in dessen Inneren die Temperatur bei einer Erwärmung höher oder bei einer Kühlung niedriger ist als die Umgebungstemperatur im Meßbereich des Magnetresonanztomographen (10).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere bei ausschließlicher Verwendung von den Körper des Tieres nicht-kontaktierenden temperierbaren Teilen der Halterung zumindest auch eine konvektive Temperierung der Körperoberfläche des Lebewesens erfolgt durch eine Durchbrechungen/Öffnungen aufweisende Auflage der Halterung für den Körper des Lebewesens.
Halterung zur Aufnahme eines Lebewesens (1) und zur Positionierung des Lebewesens (1) im Meßbereich eines Magnetresonanztomographen (10), welche das Lebewesen (1) umgibt und mindestens einen temperierbaren Teil (2, 9, 13, 20a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen ersten insbesondere ventralen temperierbaren Teil (2, 13) umfasst, mit dem die Körperoberfläche eines Lebewesens (1) ventral temperierbar ist und wenigstens einen zweiten insbesondere dorsalen temperierbaren Teil (9, 20a) umfasst, mit dem die Körperoberfläche des Lebewesens (1) dorsal temperierbar ist, wobei die temperierbaren Teile (2, 9, 13, 20a) jeweils wenigstens einen Heizkreis oder Kühlkreis umfassen und die wenigstens zwei Heizkreise oder Kühlkreise unabhängig voneinander regelbar sind.
Halterung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auflage (2, 18) umfasst, auf die der Körper des Lebewesens (1) auflegbar ist, wobei die Auflage (2, 18) zumindest zum Teil den wenigstens einen ersten ventralen temperierbaren Teil der Halterung (2, 9; 12, 15, 20) bildet, mit dem der Körper des Lebewesens (1) durch Kontakt temperierbar ist und der wenigstens eine zweite dorsale temperierbare Teil (9, 20a) den Körper des Lebewesens (1) zumindest bereichsweise dorsal umgebend und kontaktfrei zum Körper des Lebewesens (1) positionierbar/positioniert ist.
Halterung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine nicht aktiv temperierte Auflage umfasst, die zwischen dem wenigstens einen dorsalen und dem wenigstens einen ventralen temperierbaren Teil angeordnet ist, die jeweils kontaktfrei zum Körper eines Lebewesens positioniert/positionierbar sind, insbesondere wobei die Auflage Durchbrechungen/Öffnungen umfasst, durch die die Körperoberfläche eines Lebewesens konvektiv temperierbar ist,
Halterung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmbaren Teile der Halterung (2, 9; 12, 15, 20) zusammen einen im Inneren temperierten Raum (11) bilden, der den Körper des Lebewesens (1) umgibt, insbesondere schalenförmig.
Halterung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Temperaturstimulationsgeber (6, 7, 8; PE) umfasst, insbesondere, der in die Auflage (2, 18) integriert ist und dessen Temperatur änderbar ist, insbesondere ausgehend von der nach einem der Ansprüche 1 bis 5 vorgegebenen Körperoberflächentemperatur änderbar ist.
Halterung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage (2, 18) oder der Temperaturstimulationsgeber (6, 7, 8; PE) eine dem zu stimulierenden Körperteil des Lebewesens (1) anatomisch angepasste Form, insbesondere einen Negativabdruck des zu stimulierenden Körperteils aufweist.
Halterung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturstimulationsgeber (6, 7, 8; PE) auf einem kontaktfreien Prinzip (z. B. LASER) oder einer Thermode basiert, insbesondere wobei eine Thermode (6, PE) gebildet ist durch ein Peltierelement, welches mittels eines wärmeleitenden Kontaktelements (6) Wärme an die zu stimulierende Körperoberfläche abgibt oder davon aufnimmt, insbesondere wobei der das Lebewesen kontaktierende Flächenbereich des Kontaktelementes (6) kleiner ist als der das Peltierelement (8) kontaktierende Flächenbereich des Kontaktelementes.
Halterung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Andruckvorrichtung (4, 19) umfasst, mittels der der zu stimulierende Körperteil des Lebewesens (1) an die Thermode (6, PE) andrückbar ist.
Halterung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckvorrichtung (4, 19) ein fluidfüllbares oder fluidgefülltes Element umfasst, dessen Volumen von flexiblen Wänden umgrenzt ist, insbesondere das als Kissen oder Ballon ausgebildet ist und dessen Volumen über einen Kanal/Schlauch mit einem, bevorzugt zur Atmosphäre offenen Fluidreservoir verbunden ist.
Halterung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein ortsfestes Anlageelement (3, 19b) umfasst, insbesondere das als fluidgefülltes Anlageelement ausgebildet ist, an welches das fluidgefüllte Element (4, 19a) einseitig anliegt/anlegbar ist.