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.
Strategieën om minutieus beschrijven functies van de hersenen hemodynamiek in het centrale zenuwstelsel van kleine dieren zijn nodig om het gebied van de neurowetenschappen 1-3 te bevorderen. De gepresenteerde techniek laat zien hoe niet-invasieve akoestische en fotoakoestiek uitvoeren op kleine dieren hersenen om vasculaire biologie, bewerkt en functie te onderzoeken.
Optische beeldvorming mogelijk lokalisatie van gebeurtenissen met betrekking tot neurale activiteit 2,4-5 gelijktijdig signalen van hemoglobine verwerven zowel geoxygeneerde en niet-geoxideerde toestanden 6. Vanwege fotonische absorptie en verstrooiing, zuivere optische beeldvorming lijdt slechte ruimtelijke resolutie en beperkte penetratie diepte 7-8. Omgekeerd akoestiek bieden de mogelijkheid om dieper beeldvorming voeren met hogere ruimte ruimtelijke resolutie, maar wordt gehinderd door speckle en weinig contrast 9-11. Door het combineren van kenmerken van fotonica with echografie, fotoakoestische techniek verbetert zowel beeldvorming en diagnostische mogelijkheden van enkele methoden 12-16.
Fotoakoestische beeldvorming van de hersenen heeft de potentie om meerdere vragen ontrafelen in neurobiologie echter het schedeldak die van nature beschermt de hersenen, drastisch beperkt zowel de fotonische en ultrasone penetratie 17-19. Bovendien botten bevorderen verstrooiing van licht en geluid resulteert in verlies van gevoeligheid en imago aberraties 17-18. Bijgevolg kan hersenen ultrasone en fotoakoestische beeldvorming gemakkelijk worden uitgevoerd op pasgeboren dieren voor de ossificatie 20, maar de diepe anatomie en fysiologie van de volwassen hersenen zijn duidelijk toegankelijk na craniotomie 21,22. Helaas de operatie nodig voor schedel verwijderd is technisch moeilijk en de effecten schadelijk voor sommige experimentele doeleinden waardoor het moeilijk is om neurale progressie op het bewakenhetzelfde dier tijd. Daarom is een niet-invasieve werkwijze voor het diep cerebrale biologie kleine diermodellen zeer gewenst. In de literatuur de methode foton recycler 17 wordt gerapporteerd als een manier om de telefoon verlies verminderen en de transmissie door de intacte schedel, betere fotoakoestische signaal-ruisverhouding (SNR) en contrast van het doel.
De gepresenteerde protocol is gericht op een betrouwbare methode voor subcorticale hersenen akoestische en fotoakoestiek aan onderzoek gebruiken knaagdieren (specifiek op ratten) te verstrekken zonder invasieve chirurgie. De procedure is gebaseerd op het gebruik van draagbare transducentinrichtingen voor hoogfrequente ultrasone en foto-akoestische beeldvorming. In tegenstelling tot de imaging-technologie 23, draagbaar en directionele transducers 24 staat selectie van specifieke schedel gebieden met van nature verminderde dikte tomografische, genoemd scheuren of scissures. De grote kloven (foramen) aanwezig op de gewervelde eennimal schedel zijn nodig om de zenuwbanen, schepen of andere structuren verbinden interne encephalon schakelingen naar andere delen van het lichaam te lokaliseren. De grote spleten zijn in verschillende grootte bot openingen die kunnen worden benut als specifieke passages ultrasone golven en laser. Dergelijke gerichte beeldvorming vermindert golf reflectie-effecten veroorzaakt door bot interfaces en verhoogt de gevoeligheid door het verbeteren van de beeldvorming penetratie diepte. In dit opzicht kan de beeldvormende transducer loodrecht op de spleten op de tijd en de occipitale kant van de schedel (figuur 1) zijn, teneinde maximaal convergeren de echografie en fotonische balken op deze gebieden. Deze oriëntatie bevordert zowel signaalkwaliteit en dwingt het signaal verder door een dunnere bot laag ten opzichte van andere craniale oriëntaties. Aldus de uitgezonden en gereflecteerde golven ondergaan minder sterke verstrooiing, waardoor verzameling intense signalen afkomstig van dieperweefsel lagen. In tegenstelling tot eerdere procedures, deze experimentele instelling vereist slechts dierlijke hoofd scheren, terwijl geen andere operatie noodzakelijk.
Met het voorgestelde protocol, wordt beeldvorming uitgevoerd bij relatief hoge ruimtelijke resolutie, onthullende beide, specifieke verwijzing anatomische structuren en bloedvaten dieper dan de huidige state of the art methoden, dit alles terwijl de dierlijke huid en de schedel intact blijven. Unieke coronale en axiale beelden kunnen worden verkregen door het exploiteren van diverse ultrasone beeldvorming overname modaliteiten (B, Vermogen Doppler, kleur Doppler, Pulsed Wave Mode) parallel aan fotoakoestische beeldvorming. Een uitgebreide repertoire van parameters kunnen worden gewonnen uit deze beelden, waardoor afbeelding van parenchym- en vasculaire anatomie, naast een hele verzameling van functies die de bloedcirculatie dynamiek. Dit protocol kan worden gebruikt om beelden elementaire corticale parenchym functies in High Frequency Ultrasone B Mode modaliteit, het basilair en interne halsslagaders (BA en ICA respectievelijk) het samenstellen van de Cirkel van Willis, de midden cerebrale slagader (MCA) en andere details van de bloedsomloop apparaat. Verder, de doorbloeding kwantificering, bedoel stroomsnelheden, directionele beweging beschrijving en zuurstofverzadiging gegevens kunnen worden verzameld van corticale tot diepe hersengebieden.
Deze nieuwe strategie een groot potentieel voor diverse toepassingen en voldoet aan de dringende behoefte aan betrouwbare procedures deep brain functies die cruciaal diverse pathologieën tonen. Mede vanwege de minimale invasiviteit, de gepresenteerde protocol kan groot mogelijk imaging studies op het centrale zenuwstelsel, met name die langdurige controle of met delicate pathologische diermodellen mogelijk.
De gepresenteerde protocol werd geoptimaliseerd met het oog op zeer effectieve brain imaging prestaties te bieden in kleine dieren. Beelden kunnen op verschillende wijzen worden verkregen door nauwkeurig volgens de aanwijzingen over de acquisitie parameters en de transducer positionering op de schedel foramina. Met name de positionering op de temporale zijde is het meest kritische omdat de VS en de laser moeten worden gecentreerd zo nauwkeurig mogelijk te kunnen doordringen in de foramen, die kleiner is dan de occipitale één. Maar dankzij deze experimentele instelling, hemodynamische functies met betrekking tot fysiologische of pathologische wedstrijden toegankelijk en kan zelfs in diepe hersengebieden die doorgaans moeilijk te karakteriseren geëvalueerd.
Aangezien succesvolle beeldacquisitie afhankelijk van de nauwkeurigheid van de omzetter positionering afhankelijkheid moet zorgvuldig rekening gehouden omdat de beeldkwaliteit beïnvloeden. Bijvoorbeeld,sommige anatomische structuren van belang kon niet volledig worden opgenomen in de overname beeldvlak en hun identificatie van beelden die slechts een gedeeltelijke visie bieden kan leiden suboptimaal. Bovendien zou een VS en PA beeldopname uitgevoerd in een driedimensionaal modaliteit (3D modus) niet verenigbaar met de eerder beschreven experimentele setting, omdat de transducer langs een vooraf gedefinieerde geautomatiseerde weg bewegen vereist. Tot slot, als gevolg van de natuurlijke anatomische variabiliteit, de afmeting van de schedel openingen kunnen aanzienlijk variëren tussen dieren, dus met onvoorspelbare gevolgen voor het overnameproces. Dit feit maakt de beeldkwaliteit afhankelijk van de karakteristieken van elk individu. Bijgevolg, de onmogelijkheid om deze strategie sommige dieren moet worden beschouwd bij het ontwerpen van experimentele protocol toepassen.
Specifiek wordt een opmerkelijke belangstelling aan hemodynamica, vanwege de fundamentele rol bij het bepalen van debiologische verdeling van drugs of andere exogene moleculen na systemische toediening 28-29. De applicatieve implicaties op het gebied van moleculaire beeldvorming zijn vele, variërend van de validatie van bloed zwembad beeldvormende contrastmiddelen to-image gecontroleerd drug delivery studies vereisen-echografie geïnduceerde BBB opening 30. Al deze onderzoeksdoeleinden zullen zeker profiteren van de minimaal invasieve karakter van het protocol, gezien het feit dat, zonder extra operatie, is het risico van overlijden of de bijwerkingen aanzienlijk verminderd en de monitoring op lange termijn op dezelfde diermodellen is haalbaar.
Samengevat zal de gepresenteerde protocol de vakman efficiënt kan beeld en correct interpreteren anatomische topografie en de vasculaire patroon van normale of pathologische hersenweefsel onderzoek gebruik diermodellen. Terwijl de huidige methoden voornamelijk beperkt tot corticale beeldvorming 25-27 tomografische, deze instelling geeft de mogelijkheid to illustreren verschillende processen die van invloed zijn deep brain fysiologie, door de samenvoeging voordelen van zowel de VS en PA beeldvorming.
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 |
|
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/ |