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

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.

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die neuronale Aktivität der Maus mit einer manganverstärkten MRT abzubilden. Dies geschieht durch einseitige Stimulation der Lebendigkeit und Kartierung der neuronalen Reaktion im kontralateralen Fassfeldkortex. Der erste Schritt besteht darin, das Ultraschallsystem, bestehend aus einem unfokussierten Ultraschallwandler, der vom Signalgenerator und Verstärker für das Experiment angetrieben wird, zusammenzubauen und zu kalibrieren.

Nach einer intraperitonealen Injektion von Mangan wird die Blut-Hirn-Schranke mit Ultraschall und Mikrobläschen geöffnet, so dass das Mangan in das Hirnparenchym gelangen kann. Als nächstes wird die Maus einem neuronalen Stimulationsparadigma unterworfen, was zu einer höheren Akkumulation von Mangan in den aktiveren Regionen des Gehirns führt. Schließlich werden MRT-Bilder erhalten, die regionale Unterschiede in der T-Eins-gewichteten MRT-Bildintensität zeigen, die auf unterschiedlichen Niveaus der Manganakkumulation im Gehirn basieren.

In den Neurowissenschaften ist die Maus das dominierende Modellsystem für die Untersuchung der genetischen und molekularen Grundlagen der Gehirnentwicklung und -krankheit. Diese Technik bietet ein nicht-invasives Werkzeug zur Kartierung der neuronalen Aktivität in diesen Mausmodellen. Die Ultraschallstörung der Blut-Hirn-Schranke kann nicht nur zur Abgabe von Mangan an das Hirnparenchym zum Zwecke der funktionellen Neurobildgebung verwendet werden, sondern auch zur Abgabe einer Vielzahl anderer Verbindungen in das Gehirnparenchym, einschließlich Gadolinium-basierter Kontrastmittel oder Chemotherapeutika.

Im Allgemeinen haben Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten, das Ultraschallsystem zu kalibrieren und mit den Mikrorubel umzugehen. Das Verfahren wird von jedem Techniker in unserem Labor demonstriert. Das Ultraschallsystem besteht aus einem Einzelelement-Ultraschallwandler mit einem Durchmesser, der breit genug ist, um das Gehirn der Maus abzudecken, und einer Mittenfrequenz im Bereich von zwei Megahertz.

Der Wandler wird von einem Signalgenerator und einer 50-Dezibel-Endstufe angetrieben, die die Ultraschallimpulssequenz erzeugt. Kalibrieren Sie das Ultraschallsystem in einem Wassertank. Platzieren Sie das Hydrophon am Boden des Tanks und positionieren Sie den Wandler mit einem dreiachsigen Translationstisch darüber.

Legen Sie dann eine kurze Reihe sinusförmiger Impulse an den Schallkopf an und stellen Sie den Tisch ein, um die Spitzenreaktion zu finden, die in der Mitte des Ultraschallstrahls und dem natürlichen Fokus des Schallkopfs liegen sollte. Führen Sie als Nächstes mehrere Schalldruckmessungen über einen Bereich von Eingangsspannungen durch und verwenden Sie eine lineare Regression, um die Beziehung zwischen Eingangsspannung und Schalldruck zu schätzen. Ermitteln Sie die Impulsamplitude, um den maximalen negativen Schalldruck von etwa 0,36 Megapascal zu erzeugen.

In diesem Schritt betäuben Sie das Tier, indem Sie das Fluor durch den Nasenkegel abgeben. Das Nasenkonusgerät sollte den Kopf des Tieres jedes Mal präzise und zuverlässig in der gleichen Position fixieren, wenn unser Gerät den Kopf im Schädel hält. Die flache Position während des Experiments ist ein pneumatisches Kissen, um die Atemfrequenz zu überwachen und das Anästhetikum zu titrieren, um eine Atemfrequenz zwischen 85 und 125 Atemzügen pro Minute aufrechtzuerhalten. Überwachen Sie gleichzeitig die Temperatur des Tieres mit einer Rektumsonde und halten Sie die Körpertemperatur mit einer Wärmelampe oder Blasluft aufrecht.

Legen Sie danach einen Schwanzvenenkatheter und einen intraperitonealen Katheter an das Tier an. Der nächste Schritt besteht darin, die Haare zu schneiden, um die einseitige Stimulation des VII zu demonstrieren und die neuronale Reaktion im kontralateralen Fassfeldkortex zu kartieren. Schneiden Sie das kontralaterale VII so nah wie möglich an der Hautoberfläche, ohne den Follikel oder die umgebende Haut zu reizen.

Übertragen Sie dann das Tier in das Ultraschallgerät und tragen Sie das Ultraschallgel auf die Kopfhaut auf, eine untere dünne Plastikfolie mit einer Wassersäule auf den Kopf. Greifen Sie mit einem Wattestäbchen durch die Wassersäule, um alle Luftblasen herauszudrücken, die im Ultraschallgel eingeschlossen sind. Positionieren Sie dann den Ultraschallwandler im Wasser in seiner natürlichen Brennweite direkt über dem Mäusegehirn und wischen Sie den Schallkopf mit dem Finger ab, um eingeschlossene Luftblasen zu entfernen.

Stellen Sie anschließend die Perrin-Lipid-Mikrosphären her, indem Sie das Fläschchen während der Arbeit 45 Sekunden lang im Rührwerk schütteln. Lassen Sie das Violett bei Raumtemperatur, lagern Sie es aber nach der letzten Anwendung des Tages vor dem ersten Gebrauch im Kühlschrank. Rühren Sie an den folgenden Tagen das gelagerte Fläschchen im Rührwerk um. Wieder.

Injizieren Sie anschließend 0,5 Millimol pro Kilogramm Manganchlorid intraperitoneal und warten Sie 10 Minuten, um die Verteilung zu ermöglichen. Rühren Sie dann das Fläschchen mit den Mikrobläschen eine Minute lang von Hand um, um die Mikrokügelchen wieder zu suspendieren. Ziehen Sie anschließend 30 Mikroliter plus das Totvolumen des Katheters heraus.

Achten Sie darauf, keine Luft in die Durchstechflasche zu injizieren, da dies die verbleibenden Mikrobläschen zersetzt. Starten Sie sofort die Ultraschall-Impulssequenz und injizieren Sie die Mikrosphären mit minimaler Verzögerung durch den Schwanzvenenkatheter. Setze die Insonifikation drei Minuten lang fort.

Schalten Sie dann das Ultraschallsystem aus. Nachdem sich der Manganspiegel im Gehirn für etwa 40 Minuten stabilisiert hat, schalten Sie das Isof-Fluor aus und entfernen Sie den Nasenkegel. Beginnen Sie an diesem Punkt mit dem neuronalen Stimulationsparadigma, um den Fassfeldkortex zu kartieren.

Bewegen Sie einen Pinsel 90 Minuten lang in kreisenden Bewegungen mit etwa einem bis fünf Hertz durch das kontralaterale Vibrationsarray. Setzen Sie die Anästhesie nach der Stimulation fort, halten Sie dann die Körpertemperatur aufrecht und titrieren Sie den isof-Fluorspiegel auf eine Atemfrequenz von 85 bis 125 Atemzügen pro Minute. Platzieren Sie anschließend die Maus in einer MRT-Spule und übertragen Sie sie auf das MRT-System.

Nehmen Sie dann die hochauflösenden drei DT one gewichteten Bilder auf, wie hier gezeigt. Eine Störung der Blut-Hirn-Schranke nach Verabreichung eines T-on-Verkürzungskontrastmittels wie Mangan oder eines Gadolinium-basierten Mittels führt zu einer Signalerhöhung des Hirnparenchyms in der T-1-gewichteten Bildgebung im Vergleich zu den Gehirnen, in denen keine BOMA durchgeführt wurde. Hier sind die neuronalen Aktivitätskarten, die durch die einseitige Stimulation des Risikos bei sieben Tieren in der ersten Spalte erzeugt wurden.

Differenzkarten an zwei verschiedenen Stellen zeigen ein erhöhtes MRT-Signal kontralateral zum durch Bissy stimulierten Signal. In der zweiten Spalte zeigen p-Wert-Karten die relative Bedeutung dieser Unterschiede an. In der dritten Spalte zeigen die entsprechenden Hirnatlas-Diagramme, dass diese aktiven Regionen dem Fassfeld des primären sensorischen Kortex entsprechen.

Mit etwas Übung kann diese Technik in etwa zwei Stunden plus der Dauersimulation durchgeführt werden. Bei der Durchführung des Eingriffs ist es wichtig, daran zu denken, das Fläschchen mit Mikrobläschen vor der Injektion zu bewegen und darauf zu achten, keine Luft in das Fläschchen zu injizieren. Darüber hinaus ist es wichtig sicherzustellen, dass keine Luftblasen im Ultraschallgel oder unter dem Ultraschallwandler eingeschlossen sind.

Für diese Demonstration haben wir uns dafür entschieden, die Schnurrhaare zu stimulieren, aber natürlich kann diese Technik angepasst werden, um jeden interessanten Reiz zu untersuchen. Nach dem Eingriff kann sich das Tier vollständig erholen, was Längsschnittstudien ermöglicht.