Niedokrwienie mózgu wywołano u żywych szczurów Sprague-Dawley poprzez zamknięcie tętnicy środkowej mózgu, a następnie wykonano obrazowanie jądrowe w celu wykrycia jego skutków. Obrazowanie żywych szczurów przeprowadzono 24 h przed indukcją udaru, a także 1,5 h i 24 h po niedokrwieniu, przy czym każdorazowo podawano niezależne iniekcje około 500 µCi 18F-FDG, który całkowicie rozpada się w ciągu 18 h. Trzypierścieniowy system detektorów Albira użyty w tych badaniach charakteryzuje się czułością 9%, co sprawia, że 500 µCi jest odpowiednią dawką dla szczurów. Reprezentatywne dane obrazowe z badań PET i tomografii komputerowej (CT) dla szczura w punktach czasowych 24 h przed i 24 h po reperfuzji przedstawiono na Ryc. 1, odpowiednio w górnym i dolnym rzędzie. Przekroje poprzeczne (panele A i E), strzałkowe (panele B i F) oraz czołowe (panele C i G) dla każdego skanu są zaprezentowane z danymi FDG-PET w kolorowej skali intensywności typu „rainbow”, naniesionymi na obraz CT w skali szarości. Należy zauważyć, że CT służyło do anatomicznej korejestracji danych PET wewnątrz czaszki zwierzęcia i podczas tych eksperymentów nie odnotowano zmian radiodensyjnych w tkance mózgowej. Po 24 h nastąpił gwałtowny spadek wychwytu glukozy w półkuli ipsilateralnej, co sugeruje rozległe uszkodzenie tkanki wskutek wywołanego udaru niedokrwiennego. Renderowanie 3D naniesionych danych przedstawiono na Ryc. 1D i H. Po obróceniu na ekranie dane te zapewniają lepszą wizualizację spadku wychwytu FDG wywołanego udarem.
W celu ilościowego określenia zmian w poborze glukozy przez mózg w wyniku udaru w sposób spatiotemporalny, do obrazów bazowych sprzed udaru, a także obrazów z 1,5 h i 24 h (po reperfuzji) dla każdego skanu, zastosowano atlas mózgu VOI. Zostało to zrealizowane przy użyciu pakietu oprogramowania PMOD wraz z szablonem i atlasem mózgu szczura W. Schiffer. Najpierw użyto programu PMOD do przekształcenia każdego z zestawów danych PET mózgu szczura do odpowiedniej przestrzeni i geometrii poprzez manualną korejestrację z wykorzystaniem narzędzi Move i Rotate w zakładce Reslicing. Należy zauważyć, że dostępne jest również narzędzie scale, które pozwala na dostosowanie całkowitego rozmiaru mózgu, jeśli jest to konieczne. Chociaż stosowanie atlasu Schiffer jest lepsze niż ręczne wyznaczanie VOI w przestrzeni mózgu, mogą wystąpić błędy eksperymentalne wynikające z niedokładnej fuzji obrazów mózgu. W związku z tym w niektórych przypadkach może być konieczne zwiększenie liczby zwierząt, aby osiągnąć istotność statystyczną. Następnie automatycznie zastosowano atlas mózgu VOI W. Schiffer, aby zmierzyć akumulację FDG, w standardowych jednostkach poboru (SUV), w zdefiniowanych podregionach mózgu szczura (Rysunek 2). Atlas VOI mózgu może być również wykorzystywany iteracyjnie ze standardowym modelem mózgu w celu dalszej optymalizacji manualnej fuzji danych eksperymentalnych. Ponieważ zdarzenie udarowe było ograniczone do prawej półkuli mózgu u każdego zwierzęcia, uszkodzenia każdego regionu określono ilościowo poprzez obliczenie stosunku aktywności poboru glukozy między regionami przeciwstawnymi (Rysunek 2). Stosowanie tych stosunków zapewnia wygodną normalizację między prawą a lewą półkulą i eliminuje zmienność, która może wystąpić przy porównywaniu wartości intensywności sygnału PET w różnych skanach. W 1,5 h po udarze pobór 18F-FDG nie był zaburzony w obszarze niedokrwiennym. W związku z tym nie zaobserwowano ilościowych zmian w poborze glukozy między półkulami przeciwstawną a ipsilateralną (Rysunek 3, słupki niebieskie i zielone). Może to wynikać z nadmiernego poboru glukozy przez obszar okołozawałowy lub zwiększonego metabolizmu glukozy w tym punkcie czasowym w celu zrekompensowania utraty komórkowego ATP10,11. Jednakże u wielu zwierząt (n = 5) w 24 h po reperfuzji zaobserwowano istotny spadek poboru glukozy w specyficznych regionach półkuli ipsilateralnej (Rysunek 3, słupki czerwone). Inne regiony mózgu w półkuli ipsilateralnej wykazały niewielkie uszkodzenia lub nie wykazały ich wcale.
W szczególności regionami półkuli ipsilateralnej, w których konsekwentnie stwierdzono obniżone wychwyty FDG, były: ciało migdałowate, jądro ogoniaste i skorupa, a także obszary słuchowe, entorynalne, płat wyspy, parakora oraz obszary somatosensoryczne kory. Uszkodzenia kory spowodowane udarem wiążą się z utratą połączeń neuronalnych i zmianami map funkcjonalnych. Nieprawidłowości strukturalne w ciele migdałowatym wynikające z udaru prowadzą do psychopatologii i dysfunkcji poznawczych12. Nie jest zaskakujące, że region jądra ogoniastego i skorupy był dotknięty w zakresie wychwytu FDG, ponieważ przepływ krwi w bocznej części tego regionu jest zaopatrywany przez zamkniętą tętnicę środkową mózgu13. Patologia w tym obszarze mózgu gryzoni prowadzi do upośledzenia uczenia się dyskryminacyjnego, przetwarzania poznawczego i funkcji niemotorycznych14. Niezdolność do wychwytu FDG zaobserwowano również w korze entorynalnej i korze słuchowej w przyśrodkowej części płata skroniowego półkuli niedokrwiennej. W 2001 roku Davis et al. donieśli, że uszkodzenie kory entorynalnej u szczurów prowadzi do upośledzenia integracji sensorycznej i trwałych deficytów uczenia się przestrzennego15. Wiadomo, że dysfunkcje słuchu występują podczas udaru u ludzi, choć rzadko16. Jednakże wychwyt FDG przez wzgórze dolne, będące jedną z głównych dróg słuchowych, nie został zaburzony przez udar w naszym modelu. Wykazano, że u szczurów z udarem indukowanym MCAO wzrasta poziom epinefryny, norepinefryny oraz aktywność nerwów współczulnych z powodu zawału w korze wyspy, która była jednym z regionów w naszym modelu wykazujących słaby wychwyt FDG17. Mogło to skutkować zmianami w funkcji autonomicznej wpływającymi na układ sercowo-naczyniowy. Słaby wychwyt FDG zaobserwowano również w obszarze somatosensorycznym kory czołowo-ciemieniowej. Doniesiono, że zawał niedokrwienny w tym obszarze powoduje nieprawidłowości strukturalne i utratę połączeń wzgórzowych18. Ograniczony wychwyt FDG zaobserwowano również w korze wzrokowej, co może prowadzić do upośledzenia plastyczności dominacji ocznej, jak zgłoszono w przypadku noworodków szczurów poddanych niedokrwieniu hipoksycznemu19. Jednakże nie zaobserwowano zmniejszonego wychwytu FDG we wzgórzu górnym, obszarze zaangażowanym w wzrokową kontrolę ruchu20. Upośledzony był również wychwyt FDG w obszarze hipokampa, który jest istotny dla pamięci przestrzennej i nawigacji. Konsekwentnie obserwowano, że podregiony śródmózgowia, takie jak wzgórze górne i dolne, pole brzuszne nakrywki (VTA), a także cebula węchowa przedmózgowia oraz głęboko położone wzgórze nie zostały dotknięte zamknięciem tętnicy szyjnej środkowej (Ryc. 3).
Wzięte razem, wyniki te demonstrują, że FDG-PET z CT stanowi wykonalną, powtarzalną i nieinwazyjną strategię obrazowania, która pozwala na monitorowanie niedokrwienia mózgu u szczurów w sposób podłużny.

Rycina 1: Dane PET-CT szczurów przed i po niedokrwieniu mózgu. Każdy wiersz przedstawia odpowiednio poprzeczne (A, E), strzałkowe (B, F), czołowe (C, G) oraz renderowane w 3D (D, H) dane PET-CT szczura 24 h przed (górny wiersz) i 24 h po reperfuzji (lub 26 h po indukcji niedokrwienia mózgu; dół). Białe strzałki wskazują miejsca zmniejszonego wychwytu FDG w wyniku uszkodzeń spowodowanych udarem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rycina 2: Dane PET dopasowane do atlasu mózgu szczura W. Schiffera przy użyciu oprogramowania PMOD. Dane FDG-PET szczura 24 h po reperfuzji (lub 26 h po niedokrwieniu mózgu; górny rząd) zostały zintegrowane z atlasem szablonu mózgu VOI w celu analizy (dolny rząd). Kolory oznaczają poszczególne VOI atlasu szablonu mózgu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Reprezentatywna analiza ilościowa wychwytu glukozy w mózgu szczura z podziałem na sekcje. Stosunki sygnału FDG PET z prawej i lewej półkuli w Standardowych Jednostkach Wychwytu (SUV) dla każdego regionu z Atlasu Mózgu Szczura W. Schiffera, raportowane dla skanów wykonanych przed udarem niedokrwiennym (pre; niebieski), 1,5 h (zielony) oraz 24 h (czerwony) po reperfuzji (lub 26 h po reperfuzji). Słupki błędów przedstawiają błąd standardowy dla n = 5 przypadków udaru mózgu u szczurów w każdym punkcie czasowym. **p ≤ 0,01, *p ≤ 0,05 (test t dla prób zależnych). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Ilustracja operacji MCAO. Czerwona linia to okluder wprowadzony do tętnicy szyjnej zewnętrznej. Niebieska owal reprezentuje obszar mózgu.