The present work describes a new protocol to perform non-invasive high-frequency ultrasound and photoacoustic based imaging on rat brain, to efficiently visualize deep subcortical regions and their vascular patterns by directing signals on skull foramina naturally present on animal cranium.
Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central nervous system of small animals. However, transdermal and transcranial neuroimaging is frequently affected by low sensitivity, image aberrations and loss of space resolution, requiring scalp or even skull removal before imaging. To overcome this challenge, a new protocol is presented to gain significant insights in brain hemodynamics by photoacoustic and high-frequency ultrasounds imaging with the animal skin and skull intact. The procedure relies on the passage of ultrasound (US) waves and laser directly through the fissures that are naturally present on the animal cranium. By juxtaposing the imaging transducer device exactly in correspondence to these selected areas where the skull has a reduced thickness or is totally absent, one can acquire high quality deep images and explore internal brain regions that are usually difficult to anatomically or functionally describe without an invasive approach. By applying this experimental procedure, significant data can be collected in both sonic and optoacoustic modalities, enabling to image the parenchymal and the vascular anatomy far below the head surface. Deep brain features such as parenchymal convolutions and fissures separating the lobes were clearly visible. Moreover, the configuration of large and small blood vessels was imaged at several millimeters of depth, and precise information were collected about blood fluxes, vascular stream velocities and the hemoglobin chemical state. This repertoire of data could be crucial in several research contests, ranging from brain vascular disease studies to experimental techniques involving the systemic administration of exogenous chemicals or other objects endowed with imaging contrast enhancement properties. In conclusion, thanks to the presented protocol, the US and PA techniques become an attractive noninvasive performance-competitive means for cortical and internal brain imaging, retaining a significant potential in many neurologic fields.
微小小動物の中枢神経系に、脳血行動態の特徴を説明するための戦略は、神経科学1-3のフィールドを進めるために必要とされる。提示された技術は、血管生物学、配置や機能を調べるために小さな動物の脳で非侵襲的音響と光音響イメージングを実行する方法を示します。
光イメージング技術は、神経活動2,4-5に関連するイベントの局在化を可能にし、同時に酸素および非酸化状態6中のヘモグロビンによって生成された信号を取得する。しかし、フォトニック吸収及び散乱に起因し、純粋な光学イメージングは乏しい空間分解能及び限られた組織浸透深さ7~8苦しむ。逆に、音響は、高い空空間分解能でより深いイメージングを行う機会を提供していますが、それは、スペックや限られたコントラスト9-11によって妨げられている。フォトニクスwiの特徴を組み合わせることによって目の超音波、光音響技術は、撮影し、単一の方法12〜16の診断潜在的可能性の両方を向上させます。
脳の光音響イメージングは、神経生物学における複数の問題を解明する可能性は、しかしながら、自然に脳を保護タツナミソウは、劇的に両方のニックと、超音波組織穿通17-19制限している。また、骨は、感度と画像収差17-18の損失をもたらす光と音の両方の散乱を促進する。その結果、脳の超音波と光音響イメージングは、簡単に前に骨化20に新生児の動物に対して実施するが、成人の脳の深部解剖学、生理学だけ開頭21,22の後に明らかにアクセス可能であることができます。残念ながら、頭蓋骨の除去に必要な手術は技術的に困難であり、その効果は、いくつかの実験の目的のために有害であり得ることが困難で神経疾患の進行をモニターすること時間をかけて同じ動物。したがって、小動物モデルにおける画像深い脳生物に対して非侵襲的な方法が非常に望ましい。文献に光子リサイクラ17に記載の方法は、携帯電話の損失を低減し、信号対雑音比(SNR)と、ターゲットのコントラストに光音響信号を改善する、無傷の頭骨を通しての透過率を増加させる方法として報告されている。
提示されたプロトコルは、あらゆる侵襲手術なしで(特にラット)研究用げっ歯類に皮質下の脳の音響と光音響イメージングのための信頼できる方法を提供することを目的とする。手順は、高周波数超音波と光音響イメージングのための携帯用変換装置の使用に基づいている。当然薄く有する特定頭蓋領域の選択を可能にする画像処理技術23、ポータブルおよび方向変換器24断層とは対照的に、亀裂またはscissures称される。脊椎動物A上に存在する主要な割れ目(間孔)ニマル頭蓋骨は、身体の他の部分に内部脳回路を接続する神経束、血管または他の構造を見つけることが必要である。主要クレフトは、超音波およびレーザーのための特定の通路として利用することができる異なるサイズの骨の開口部内に見出される。このような標的画像は、骨インターフェイスによって引き起こさ波反射の影響を低減し、撮像侵入深さを増強することによって感度を高める。この観点では、撮像トランスデューサは、最大限これらの領域に超音波と光ビームを収束させるために、( 図1)時間的及び頭蓋骨の後頭部側に位置するクレフトに対して垂直に配置することができる。この配向は、信号品質を向上させ、他の頭蓋の向きに対して薄い骨の層を介して進行する信号を強制的に両方。したがって、送信および反射波は、より深いから生じる強烈な信号の収集を可能にする、散乱の程度が低い受ける組織層。他の手術は必要ありませんしながら、以前の手順とは対照的に、この実験的な設定は、単に動物のヘッドシェービングが必要です。
提案されたプロトコルでは、イメージングは、動物の皮膚と頭蓋骨がそのまま残る全てながら、特定の参照解剖学的構造及び技術の方法の現在の状態よりも深い血管の両方を明らかにし、比較的高い空間分解能で実行される。ユニーク冠状及びアキシャル画像は、光音響イメージングに並列に様々な超音波画像取得モダリティ(B、パワードップラー、カラードップラー、パルス波モード)を利用することによって取得することができる。パラメータの拡張されたレパートリーは、血行動態に影響する特徴の集合全体と一緒に実質および血管の解剖学的構造の描写を可能にする、これらの画像から抽出することができる。このプロトコルは、高周波数の超音波Bモードモダリティ、脳底と内頸動脈(画像基本皮質実質の機能に使用することができますそれぞれBAとICA)ウィリス、中大脳動脈(MCA)と循環装置のその他の詳細のサークルを構成する。さらに、血流の定量化は、方向動き記述及び酸素飽和度のデータは、脳深部領域に皮質から採取することができる、ストリームの速度を意味する。
この新しい戦略は、様々なアプリケーションのための大きな可能性を保持しており、さまざまな病態に重要である脳深部の特徴を描写するための信頼性のある手順については、緊急の必要性を満たす。さらに、なぜならその最小限の侵襲性、提示プロトコルは、中枢神経系に無数の可能性イメージング研究、長期的なモニタリングを必要とするか、繊細な病的な動物モデルを含む特にそれらを有効にすることができます。
提示プロトコルは、小動物に非常に効果的な脳イメージング性能を提供するために最適化された。画像が正確に取得パラメータと頭蓋骨間孔にトランスデューサの位置についての指示に従うことによって、異なるモダリティで取得することができる。米国およびレーザーが正しく後頭部よりも小さい孔を貫通して、可能な限り正確にセンタリングされなければならないので、特に、耳側に位置決めが最も重要である。それにもかかわらず、この実験の設定のおかげで、生理的あるいは病的コンテストに関連する血行動態の機能がアクセス可能であっても、通常、特徴付けることが困難な深部脳領域において評価することができる。
成功した画像取得トランスデューサ位置決め精度に依存するため、この依存性は、結像性能に影響を与える可能性があるため、慎重に考慮しなければならない。例えば、興味のあるいくつかの解剖学的構造が完全に取得撮像面に含まれていないことができ、単に部分的なビジョンを提供した画像から、その識別が次善の可能性があります。また、三次元のモダリティ(3Dモード)で行わ米国およびPA画像取得は、予め定義された自動化経路に沿って移動するように変換器を必要とするので、先に、実験設定を説明したとの互換性がないであろう最後に、天災解剖学的変動のため、頭蓋骨の開口部の寸法はかなりため、取得プロセスで予測不可能な影響を持つ、動物間で異なる場合があります。このことは、個々の特性に画質が依存させる。したがって、いくつかの動物にこの戦略を適用することが不可能に実験プロトコルを設計する際に考慮しなければならない。
具体的には、著しい関心が決定する上で、その基本的な役割のために血行動態、宛てである全身投与28〜29の後に薬物または他の外因性分子の生体内分布。分子イメージングの分野で応用的な意味は、超音波によって誘導されるBBBの開口部30を必要とする画像をモニター薬物送達研究の血液プールイメージング造影剤の検証に至るまで、多くのである。これらの研究目的のすべてが確実にいかなる追加手術なしで、死亡または望ましくない副作用のリスクを大幅に低減され、同じ動物モデルにおける長期的な監視が可能であり、それを考慮したプロトコル、最小限の侵襲性の恩恵を受ける。
要約すると、提示されたプロトコルを効率的に画像と正しく解剖学的地形や研究用動物モデルにおいて、正常または病的な脳組織の血管パターンを解釈するために開業医が可能になります。現在の方法は、主に皮質のイメージング25-27断層に制限されていますが、この設定は機会tを提供しますO両方の米国とPAイメージングによって提供される利点をマージして、深い脳生理学に影響を与えるいくつかのプロセスを説明する。
The authors have nothing to disclose.
The authors have no acknowledgements.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
High frequency ultrasound and photoacoustic imaging station (VEVO LAZR 2100 system) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | ||
Vevo Compact Dual Anesthesia System (Tabletop Version) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODt Sht.dpuf |
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Ultrasound Transmission Gel (Aquasonic 100) | PARKER LABORATORIES INC. | 01-08 | http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp |
Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories | Three helathy 6-weeks old Sprague-Dawley rats were purchased by Charles River Laboratories and kept in standard housing (12 h light-dark cycles) with a standard rodent chow and water available ad libitum. Provided by: http://www.criver.com/ |