Funktionelle Bildgebung mit Ultraschall-Blut-Hirnschranke Störung und Mangan-MRT

Zusammenfassung

Eine Technik ist für die breite Öffnung der Blut-Hirn-Schranke in der Maus mit Mikrobläschen und Ultraschall beschrieben. Mit dieser Technik können Mangan, um Gehirn der Maus verabreicht werden. Da Mangan ist ein MRT-Kontrastmittel, die in Neuronen depolarisiert ansammelt, erlaubt dieser Ansatz eine Bildgebung neuronaler Aktivität.

Zusammenfassung

Obwohl Mäuse sind das dominierende Modellsystem für die Erforschung der genetischen und molekularen Grundlagen der Neurowissenschaften, funktionelle Bildgebung bei Mäusen bleibt technisch anspruchsvoll. Ein Ansatz, activation-induced Mangan-MRT (AIM MRI), wurde erfolgreich auf die neuronale Aktivität bei Nagern ^1-5 zuordnen können. In AIM MRT, Mn ^{2 +} wirkt ein Calcium analoge und reichert sich in Neuronen depolarisiert ^6,7. Da Mn ^{2 +} verkürzt die T ₁ Gewebe Eigentum, werden Bereiche erhöhter neuronaler Aktivität in der MRT zu verbessern. Ferner, Mn ^{2 +} löscht langsam von den aktivierten Bereichen, daher Stimulation kann außerhalb des Magneten durchgeführt vor der Bebilderung werden, was eine höhere Flexibilität experimentellen. Da jedoch die Mn ^{2 +} nicht leicht die Blut-Hirn-Schranke (BHS), die Notwendigkeit, öffnen Sie die BBB hat die Verwendung von AIM MRT begrenzt, vor allem bei Mäusen.

Ein Werkzeug zum Öffnen des BBB ist ultrasound. Obwohl möglicherweise Schaden entstehen, wenn Ultraschall in Kombination mit gasgefüllten Mikroblasen (dh Ultraschall-Kontrastmitteln) verabreicht wird, ist der Schalldruck für BBB Öffnung erforderlich deutlich niedriger. Diese Kombination von Ultraschall und Mikrobläschen können verwendet werden, um zuverlässig öffnen Sie die BBB, ohne dass Gewebeschäden ^8-11 werden.

Hier wird ein Verfahren zum Durchführen AIM MRT durch Einsatz von Mikrobläschen und Ultraschall, um die BBB zu öffnen dargestellt. Nach einer intravenösen Injektion von Perflutren Mikrobläschen ist eine unscharf gepulsten Ultraschalls an den Kopf rasiert Maus für 3 Minuten angewendet werden. Der Einfachheit halber verweisen wir auf diese Technik von BBB Opening mit den Mikrobläschen und Ultraschall als BOMUS ^12. Mit BOMUS die BBB über beiden Hemisphären zu öffnen, wird Mangan auf das gesamte Gehirn der Maus verabreicht. Nach experimenteller Stimulation der leicht sedierten Mäusen ist AIM MRI verwendet, um die neuronalen Reaktionen zuordnen.

Zudiesen Ansatz zu demonstrieren, sind hierin BOMUS und AIM MRI verwendet werden, um einseitige mechanische Stimulation der Tasthaare in leicht sediert Mäuse ¹³ Karte. Weil BOMUS können die BBB über beiden Hemisphären zu öffnen, wird der unstimulierten Seite des Gehirns verwendet, um für eine unspezifische Stimulation Hintergrund steuern. Das resultierende 3D-Aktivierung Karte stimmt gut mit den veröffentlichten Darstellungen der Vibrissen Regionen des Feldes Barrel Cortex ^14. Das Ultraschall-Öffnung der BHS ist schnell, nicht-invasive und reversible, und so ist dieser Ansatz geeignet für High-Throughput-und / oder Längsschnittstudien in wach-Mäusen.

Protokoll

1. Montieren und Kalibrieren Ultraschallsystem

1. Das Ultraschallsystem beginnt mit einem Element Ultraschallwandler mit einem Durchmesser breit genug, um die Maus Gehirn und eine Mittenfrequenz im Bereich von 2 MHz abdecken. Der Wandler wird durch eine 50-dB-Leistungsverstärker, der mit einem Signalgenerator, der die Ultraschall-Impulsfolge erzeugt verbunden angetrieben wird.
2. Um den akustischen Druck des Ultraschall-System zu kalibrieren, mit einem Hydrophon, die angelegte Spannung zu der resultierenden akustischen Druck beziehen. Setzen Sie den Schallkopf in einem Wassertank über dem Hydrophon. Anwenden einer einfachen Puls (z. B. ein 10-Zyklus Sinuskurve an dem Wandler die Häufigkeit, mit Impulsfolgefrequenz von 10 Hz) an den Wandler. Verwenden Sie ein 3-Achsen-Übersetzung Bühne, um die Peak-Ansprechen, die im Zentrum des Ultraschallstrahls an dem Wandler die natürliche Konzentration (etwa 60 mm für unsere 13 mm Durchmesser 2,15 MHz-Sonde) sein sollte, zu finden.
3. Machen Sie mehrere Messungen über einen klingeltee von Eingangsspannungen (zB 50-400 mV _pp), um die Linearität des Systems zu überprüfen. Verwenden Sie eine einfache lineare Regression, die Beziehung zwischen Eingangsspannung und Schalldruck zu schätzen. In unserem System entsprach Eingangsspannungen von 258 und 167 mV _{pp-Spitze-negativen} Schalldruck von 0,52 und 0,36 MPa.
4. Programm die Signalerzeuger, um ein Ultraschallimpuls Sequenz, bestehend aus Bursts von sinusförmigen Impulse am Ultraschall-Frequenz mit 50000 Zyklen pro Burst und einer Burst-Periode von 64 ms zu erzeugen. Basierend auf den Kalibriermessungen, stellen Sie die Pulsamplitude zu Peak-negativen akustischen Druck von 0,36 MPa in der Mitte des Wandlers den natürlichen Schwerpunkt zu generieren.

2. Bereiten Sie die Reagenzien

1. Man löst Manganchloridtetrahydrat (MnCl ₂ · 4H ₂ O) in sterilem Wasser bei einer Konzentration von 100 mM (300 mosm) und Filter zu sterilisieren.
2. Produzieren Sie das Perflutren Lipid-Mikrosphären von "activating "die Ampulle in der vom Hersteller gelieferten Rührer für 45 s. Für einen Tag von Experimenten kann ein einzelnes Gefäß einmal am Beginn des Tages aktiviert und verwendet werden, ohne dass die Aktivierung für den Rest des Tages.
3. Unmittelbar vor der Mikrosphären-Verwaltung, beunruhigen Sie das Fläschchen mit der Hand für 1 Minute, um die Mikrosphären zu resuspendieren. Beim Herausziehen Mikrobläschen aus dem Fläschchen, injizieren Sie kein Zimmer Luft in die Flasche, da dies verschlechtert die restlichen Mikrobläschen. Lassen Sie das Fläschchen bis zum letzten Einsatz des Tages, und dann speichern Sie es im Kühlschrank aufbewahrt. Verwaltet auf diese Weise kann eine einzige Ampulle mehrere Tage dauern. Re-Aktivierung der gespeicherten Küvette in den Rührer, vor der ersten Verwendung an den folgenden Tagen.

3. Tierische Vorbereitung

1. Betäuben die Tiere mit Isofluran, geliefert von Bugspitze. Der Nasenkegel Vorrichtung sollte so gestaltet werden, um den Kopf des Tieres genau und zuverlässig zu befestigen an der gleichen Position jedes Mal werden. Unsere Einrichtung ¹⁵ hält den Kopf in the "Schädel-Flat"-Position (dh die dorsalen Schädel Oberfläche ist horizontal) in der Paxinos Hirnatlas ¹⁶ verwendet. Daraufhin wird die Betäubung, eine Atemfrequenz von 85 bis 125 Atemzüge pro Minute aufrecht zu erhalten. Pflegen Sie die Körpertemperatur mit Hilfe eines Wärmelampe oder Blasluft. Schützen Sie die Augen mit Gleitmittel.
2. Entfernen Sie die Haare aus der Kopfhaut Maus mit Hilfe eines elektrischen Trimmer.
3. Legen Sie eine Schwanzvene Katheter und eine intraperitoneale (IP-) Katheter. Für das Überleben Studien, achten Sie darauf, geeignete sterile Technik zu verwenden; IP Katheterplatzierung in dem Video zu diesem Artikel gezeigt angemessen ist nur für Nicht-Überleben Experimente.
4. Nehmen Sie ggf. weitere Vorbereitungen für die neuronale Stimulation Experiment erforderlich. Für das Mapping von Vibrissen Stimulation des Laufes Feld Kortex, verwenden Sie ein Binokular und mikrochirurgischen Schere, um die Tasthaare so nah wie möglich an die Hautoberfläche ohne zu reizen oder die Follikel umgebenden Haut zu schneiden.
5. Ort Ultraschall-Gel auf dieKopfhaut, und senken Sie dann eine Wassersäule von einer dünnen Plastikfolie (z. B. eine 7,6 um Müll Müllsack) auf den Kopf enthielt. Erreichen Sie durch mit Wasser Spalte mit einem Wattestäbchen Wattestäbchen, Push-out alle Luftblasen, die in der Ultraschall-Gel verfangen. Positionieren Sie den Schallkopf in seiner natürlichen Brennweite (58 mm) direkt über das Gehirn der Maus in der Spalte von Wasser, und wischen Sie den Sensor mit der Fingerspitze, um eingeschlossene Luftblasen zu entfernen.

4. Blut-Hirnschranke Opening mit den Mikrobläschen und Ultra Sound (BOMUS)

1. Wähle eine intraperitoneale Injektion von Mangan Lösung bei einer Dosis von 0,5 mmol / kg IP. Verschließen Sie die intraperitonealen Katheter so das Mangan nicht fließt, aus, und warten Sie 10 Minuten, damit es zu verteilen (Abbildung 1).
2. Um die BBB zu öffnen, zu verwalten 30 ul Perflutren Lipid-Mikrosphären (aktiviert DEFINITY) über die Schwanzvene Katheter, und gleichzeitig, starten Sie die Ultraschall-Impulsfolge. Continue Beschallung für 3 Minuten.

5. Neuronale Stimulation

1. Lassen Sie ca. 40 Minuten für Gehirn-Niveaus von Mn ^{2 +,} der vor Beginn neuronale Stimulation zu stabilisieren. Auf diese Weise die dramatische Verbesserung Ausgangswert durch Mn ^{2 +-Diffusionsbereich} durch die BHS aus dem feinen Differenz Verbesserung durch Stimulation unterschieden werden. Dann beginnt die Stimulation mit Ihrem Paradigma der Wahl (Abbildung 1).
2. Für Vibrissen Stimulation, schalten Sie das Isofluran und entfernen Sie die Bugspitze. Bewegen eines weichen Pinsel Künstlers manuell in einer kreisförmigen Bewegung (1-5 Hz) durch die Vibrissen Array in einem Abstand von etwa 2-5 mm von der Haut. Fahren Sie mit der Stimulation für 90 min. Das Mangan hat eine beruhigende Wirkung, die hemmungslose Stimulation des Tieres ermöglicht. Wenn das Tier wird unruhig, verwalten 5% Isofluran via Nasenkonus für ca. 15 Sekunden.

6. Magnetic Resonance Imaging

1. Nach der Stimulation wieder aufnehmen Anästhesie über Bugspitze. Weiter Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und der Titration der Isofluran-Ebene zu einer Atemfrequenz von 85 bis 125 Atemzüge pro Minute.
2. Platzieren Sie die Maus in einer MR-Bildgebung Spule und Transfer in das MRT-System. Erwerben Sie hochauflösende 3D-T _{1-gewichteten} MR-Bildern. Verwenden Sie z. B. eine 3D-Gradientenechobildern erinnerte Echo (SPGR) Sequenz mit folgenden Parametern: Wiederholung von 25 ms, Echozeit von 2 ms, Flip-Winkel von 30 Grad; Bandbreite von 15,63 kHz; Gesichtsfeld von 20 × 20 × 12 mm, Matrix von 128 × 128 × 60.

7. Bildanalyse

1. Die Bildanalyse ist spezifisch für die Stimulationsparadigma verwendet. Für die Stimulation Vibrissen Experiment (Abbildung 2), importieren Sie die Bilder von mehreren Tieren in einen geeigneten Analyse-Umgebung. Wenn einige Tiere wurden auf der rechten Seite stimuliert, während andere auf der linken Seite, FL stimuliert wurdenIP manche so, dass alle Bilder wirksam sind "left-stimulierte." Dann, um die stimulierten Seite jedes Gehirn seine kontralateralen unstimulierten miteinander zu vergleichen, eine dupliziert und gespiegelt links unstimulierten Bildsatzsignal erzeugt wird. Registrieren Sie sich alle Bilder zu einem gemeinsamen Raum und dann glätten sie mit einem 3 × 3 × 3 Pixel Gauß-Kern.
2. Exportieren Sie die Daten einer mathematischen Analyse-Umgebung, wie MATLAB. Optional maskieren irrelevant Anatomie in den Datensätzen. Intensity-normalisieren die Bilder durch die iterative Methode von Venot et al. ^17,18.
3. Verwenden Sie ein gekoppeltes, Einzel-tailed t-Test für jedes Voxel des stimulierten Seiten jedes Gehirn auf die entsprechende kontralaterale Voxel vergleichen auf den unstimulierten Seiten jedes Gehirn.
4. Anzeigen des resultierenden p-Wert anzeigen, um Bereiche unterschiedlicher Aktivität (3) zu identifizieren.

8. Repräsentative Ergebnisse

Die hier vorgestellte Methode hat zwei Fonds amental Schritten: (1) BBB Eröffnung mit Mikrobläschen und Ultraschall (BOMUS) und (2) activation-induced Mangan-MRT (AIM MRI). Da der letztere Schritt hängt von der ehemaligen, ist es wichtig für eine erfolgreiche Umsetzung BOMUS überprüfen.

Störung der Blut-Hirn-Schranke nach der Verabreichung einer T _{1-verkürzenden} Kontrastmittels (wie Mangan oder eine Gadolinium-basierte Agent) führt zu einer Erhöhung des Signal Hirnparenchym auf T _{1-gewichteter} Bildgebung, wann Gehirne verglichen, in denen BOMUS wurde nicht durchgeführt (Abbildung 4). Die Verteilung dieser Mangan-Erhöhung ist nicht völlig einheitlich, obwohl es ziemlich konsistent zwischen den Tieren ist. Die Verteilung gibt nicht nur Inhomogenität in BBB Öffnung, sondern auch die intrinsische ungleichmäßige Verteilung von Mn im Gehirn ^19. Die räumliche und zeitliche Dynamik der BBB Eröffnung wurden weiter oben beschrieben ^12.

ENT "> Nachdem BOMUS erfolgreich umgesetzt wurde, ist der nächste Schritt zur Durchführung AIM MRI Viele experimentelle Paradigmen sind möglich;.. aber da gibt es viele potenzielle verwechselt, die Kontrollen und Analysen müssen sorgfältig entworfen werden Confounding Effekte beinhalten inhomogene BBB Eröffnung, inhomogenen Ansammlung von Mn im Gehirn, zeitliche Dynamik der Mn Diffusion und unspezifische neuronale Aktivität. In diesem Beispiel wurde die neuronale Antwort auf einseitige Stimulation der Vibrissen zugeordnet. Um den Inhomogenitäten und Mn Fluß, der nicht stimulierten Seite jedes Gehirn ausmachen wurde als interne Kontrolle verwendet. Um unspezifische neuronale Aktivität, die zwischen Tieren variieren könnte erklären, verwendet die Analyse statistischen Tests in Regionen, die immer wieder andere unter den Tieren (2) verantwortlich waren. Die Ergebnisse waren eine dreidimensionale Karte und ein Unterschied dreidimensionalen p-Wert Karte (Abbildung 3), die rechte Seite, von denen Regionen angegebenvon höheren Signal kontralateral zur stimulierten Tasthaare. Die linke Seite der Karte angezeigt, welche Regionen signifikant höheren Signal ipsilateral zur stimulierten Vibrissen hatte. Der p-Wert Karte identifiziert einen breiten Bereich erhöhter Signal kontralateral zur stimulierten Tasthaare, die mit dem Lauf-Feld der primären sensorischen Kortex, dessen Reaktion auf Vibrissen Stimulation wurde ausgiebig von ^20,21 Elektrophysiologie und 2-Desoxyglucose Studien dokumentiert entsprach. Eine ausführlichere Diskussion dieser Ergebnisse wurde bereits ¹³ veröffentlicht.

Abbildung 1. Protokoll Zeitplan für die funktionelle Bildgebung mit MRI BOMUS und AIM (Übernommen aus Howles et al. ^13).

Abbildung 2. Analysis Schema zur Identifizierung Regionen of unterschiedlicher Intensität zwischen den stimulierten und unstimulierten Seiten jedes Gehirn. Um den stimulierten Seite jedes Gehirn seine unstimulierten kontralateralen Seite zu vergleichen, dupliziert und gespiegelt ein links-unstimulierten Bildmenge wird erstellt. Diese Bilder werden registriert, filtriert, und normalisiert. Schließlich, am Test vergleicht die links-stimulierten und unstimulierten links-Bilder. Der t-Test wird "gekoppelt", so dass die angeregte Seite jedes Gehirn nur der nicht stimulierten Seite desselben Gehirns. Der t-Test "Single-tailed", so dass eine Seite der p-Wert anzeigen signifikant höheren Signal auf der stimulierten Seite des Gehirns anzeigt, während die andere Seite der p-Wert Karte zeigt einen signifikant höheren Signal auf Seite der unstimulierten Gehirn (Übernommen aus Howles et al. ^13).

3. Ergebnisse der gepoolten Analyse von 7 Tieren an zwei verschiedenen axialen Positionen. T er erste Spalte zeigt den Mittelwert aller registrierten Bilder ausgerichtet, so dass effektiv alle Mäuse hatten ihre linke Vibrissen stimuliert. Diese Bilder mit einer Farbe Karte, welche die durchschnittliche prozentuale Zunahme des Signals in jedem Voxel relativ zu der kontralateralen Hemisphäre überlagert, wie dies durch die Farbbalken. Farbige Bereiche auf der rechten Seite des Bildes zeigen, wo die Hemisphäre kontralateral zur Stimulation hatten höhere Signal. Farbige Regionen auf der linken Seite des Bildes zeigen, wo die Halbkugel ipsilateral zur Stimulation hatten höhere Signal. Die zweite Spalte zeigt die gleichen Bilder mit der p-Wert Karte, welche die statistische Signifikanz der Zunahme des Signals überlagert. Die dritte Spalte zeigt den gleichen p-Wert Karte auf den entsprechenden Zahlen aus dem Paxinos stereotaxische Atlas ¹⁶ mit den Fass Felder des sensorischen Kortex schattiert (Übernommen aus Howles et al. ¹³⁾ überlagert.

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4. Räumliche Verteilung von Mn ^{2 +} im Gehirn. Bilder wurden 170 min nach 0,5 mmol / kg IP MnCl ₂ erworben von BOMUS-behandelten (n = 5) und Kontrolle (n = 4)-Mäusen. Nach der Normalisierung, Mittelwert und Standardabweichung berechnet Karten wurden (linkes Bild). Enhancement war in den BOMUS-behandelten Mäusen. Obwohl diese Verstärkung nicht über das Gehirn einheitliche, war es ziemlich konstant, außer in der Nähe der Ränder des Gehirns und Ventrikel. Mit Regions of Interest (ROI) um verschiedene Strukturen gezeichnet, wurde die mittlere SNR (+ 1 SD) in jeder Gruppe (rechtes Bild) berechnet. BOMUS-behandelten Tiere zeigten eine größere SNR, sondern auch größere Varianz zwischen Strukturen und zwischen Tieren (Übernommen aus Howles et al. ^13).

Abbildung 5. Um Gewebe Wirkungen von BOMUS zu untersuchen, wurden Gehirne von BOMUS-behandelten Mäusen fest, SEctioned bei 500 - um Intervalle, und gefärbt mit Hämatoxylin und Eosin. Die mittlere Anzahl der roten Blutkörperchen Extravasate in jedem Abschnitt des Gehirns zu sehen ist für akustische Druck von 0,36 MPa (n = 3), 0,52 MPa (n = 4) und 5,0 MPa (n = 1). Fehlerbalken zeigen Standardfehler. Die zweite Platte zeigt ein Beispiel einer schweren roten Blutkörperchen Extravasation aus dem Gehirn ausgesetzt 5,0 MPa (Aus Howles et al. ^12).

Abbildung 6. Quantitative Verhaltenstests wurde verwendet, um Aktivität, Erregung, und Reaktionsfähigkeit vor der Narkose zu bewerten und 3 und 24 Stunden nach dem Erwachen aus der Narkose. Das Scoring-System, vorher beschriebenen ^12, wurde auf der etablierten quantitativen Beurteilung Maus Verhaltensstörungen entwickeln, basierted von Irwin im Jahr 1968 ^22. Die durchschnittliche Verhalten (± SEM) des Gastes für die Kontrolle (n = 3) und BOMUS (0,36 MPa) behandelt wurden (n = 8) Tieren gezeigt. Bezogen auf die Pre-Narkose Grundlinie, zeigen alle Tiere eine Abnahme des Verhaltens der Gäste 3 Stunden nach der Narkose, aber sie weitgehend durch den nächsten Tag zu erholen. Zu jedem Zeitpunkt wurde kein Unterschied zwischen den beiden Gruppen zu sehen, was darauf hinweist, dass BOMUS nicht messbar beeinflussen das Verhalten von Tieren (Übernommen aus Howles et al. ^12).

Diskussion

Hier wurde ein Verfahren zur nicht-invasiven Öffnen der BBB im gesamten Gehirn der Maus mit Ultraschall und Mikrobläschen (BOMUS) dargestellt. Mit dem BBB offen, Mn ^{2 +} verabreicht wurde und activation-induced Mangan-MRT (AIM MRT) wurde auf Bild neuronale Reaktion auf kurzzeitige Stimulation in leicht sedierten Mäusen verwendet.

Angemessene BBB Öffnung wurde mit einem Spitzenwert-negativen akustischen Druck von 0,36 MPa erreicht. Hinweis: Dies ist der Druck an der Kopfhaut Oberflä...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Name des Reagenzes	Firma	Katalog-Nummer	Kommentare
Hydrophon	Sonora Medical Systems, Longmont, CA	SN-251 S4
Übersetzung Bühne	Newport Corporation, Irvine, CA
Ultraschallwandler	Olympus NDT, Inc., Waltham, MA	A306S-SU	Bewerten des Herstellers Testblatt, dass der Wandler begleitet, um die genaue Mittenfrequenz des jeweiligen Wandler, der von der Nennfrequenz im Katalog angegebenen abweichen können zu finden. (Z. B. betrug die nominale Frequenz von 2,25 MHz unsere Wandler, aber die tatsächliche Mittenfrequenz betrug 2,15 MHz.)
Vevo Imaging-Station	VisualSonics, Inc. Toronto, Kanada	;
50 dB Verstärker	E & I, Rochester, NY	Modell 240L
Der Signalgenerator	Agilent Technologies, Santa Clara, CA	Modell 33220A
MnCl 2 - (H2O) 4	Sigma		Molekulargewicht variiert je nach Charge, Call Hersteller für die exakte Messung
Perflutren Lipid-Mikrosphären	Lantheus Medical Imaging, N. Billerica, MA	DEFINITY
Microsphere Rührwerk	Lantheus Medical Imaging, N. Billerica, MA	Vialmix
MR-Bildgebung Spule	M2M-Imaging Corp, Hillcrest, OH		35 mm Durchmesser Quadratur Sende / Empfangs-Spule Volumen
MRT-System	GE Healthcare, Milwaukee, WI		GE EXCITE Konsole Betrieb eines 7-T horizontale Bohrung Magnet
Die Bildanalyse-Umgebung	Visage Imaging, San Diego, CA, The MathWorks, Natick MA	Amira MATLAB