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.
Sono necessarie strategie per descrivere minuziosamente le caratteristiche di emodinamica cerebrali nel sistema nervoso centrale di piccoli animali per far avanzare il campo delle neuroscienze 1-3. La tecnica presentata dimostra come eseguire acustico non invasivo e di imaging fotoacustico sul cervello piccolo animale al fine di esaminare la biologia vascolare, disposizioni e la funzione.
Tecniche di imaging ottico consentono la localizzazione degli eventi legati all'attività neurale 2,4-5 e contemporaneamente acquisire segnali generati da emoglobina sia negli stati ossigenati e non ossigenato 6. Tuttavia, a causa dell'assorbimento fotonico e dispersione, imaging ottico puro soffre di scarsa risoluzione spaziale e tissutale limitata profondità di penetrazione 7-8. Al contrario, l'acustica offrono la possibilità di effettuare l'imaging profondo con risoluzione spaziale spaziale più alta, ma è ostacolato da speckle e limitato contrasto 9-11. Combinando le caratteristiche della fotonica with ultrasuoni, tecnica fotoacustica migliora sia l'imaging e le potenzialità diagnostiche dei singoli metodi 12-16.
L'imaging fotoacustico del cervello ha il potenziale per chiarire domande multiple in neurobiologia, tuttavia, la calotta cranica che protegge naturalmente l'encefalo, drammaticamente limita sia la penetrazione nei tessuti 17-19 fotonica e ultrasuoni. Inoltre, le ossa promuovere dispersione della luce e del suono con conseguente perdita di sensibilità e di immagine aberrazioni 17-18. Di conseguenza, ultrasuoni cervello e di imaging fotoacustico possono essere facilmente eseguiti su animali neonati prima ossificazione 20, ma l'anatomia profonda e fisiologia del cervello adulto sono chiaramente accessibili solo dopo craniotomia 21,22. Purtroppo, l'intervento necessario per la rimozione cranio è tecnicamente difficile ei suoi effetti può essere dannosa per alcuni scopi sperimentali rendendo così difficile per monitorare la progressione della malattia neurale nelstesso animale nel tempo. Pertanto, un metodo non invasivo per immagine profonda biologia cerebrale in piccoli modelli animali è altamente desiderabile. Nella letteratura metodo di fotoni riciclatore 17 è riportato come un modo per ridurre la perdita cellulare e aumentare la trasmittanza attraverso il cranio intatto, migliorando il segnale fotoacustico a rumore (SNR) e il contrasto del bersaglio.
Il protocollo presentato si propone di fornire un metodo affidabile per acustica cerebrale sottocorticale e di imaging fotoacustico sulla ricerca uso roditori (in particolare sui ratti) senza chirurgia invasiva. La procedura si basa sull'uso di dispositivi di trasduzione portatili per ultrasuoni ad alta frequenza e di imaging fotoacustico. In contrasto con la tecnologia di imaging tomografico 23, portatile e trasduttori direzionali 24 consentire la selezione di specifiche regioni cranio con spessori ridotti, naturalmente, chiamato fessure o scissures. I principali fessure (forami) presenti sul vertebrato unnimal cranio sono necessarie per individuare i fasci nervosi, serbatoi o altre strutture di raccordo circuiti interni encefalo ad altre parti del corpo. I principali fessure si trovano nelle aperture ossa di diverse dimensioni che possono essere sfruttate come passaggi specifici per ultrasuoni e laser. Tale immagini mirata riduce gli effetti di riflessione delle onde causate da interfacce ossa e aumenta la sensibilità aumentando la profondità di penetrazione delle immagini. In questa prospettiva, il trasduttore di immagini può essere predisposta per essere perpendicolare alle fessure poste sul temporale e sul lato occipitale del cranio (figura 1), al fine di convergere massimo ultrasuoni e raggi fotonici su queste aree. Questo orientamento sia migliora la qualità del segnale e forza il segnale per procedere attraverso un sottile strato osseo rispetto ad altri orientamenti cranici. Pertanto, le onde trasmesse e riflesse subiscono un minor grado di dispersione, consentendo la raccolta di segnali provenienti da intense profondostrati di tessuto. In contrasto con le procedure precedenti, questa impostazione sperimentale richiede testina di rasatura proprio animale, mentre non è necessario un altro intervento chirurgico.
Con la proposta di protocollo, l'imaging viene eseguita a relativamente alta risoluzione spaziale, rivelando sia, strutture anatomiche di riferimento specifico e vasi sanguigni più profonde di quanto lo stato attuale dei metodi d'arte, il tutto mentre la pelle di animale e del cranio rimangono intatti. Immagini coronali e assiali unici possono essere acquisiti sfruttando diverse modalità di acquisizione di immagini ad ultrasuoni (B, Power Doppler, Color Doppler, modalità onda pulsata) in parallelo all'imaging fotoacustica. Un repertorio esteso di parametri può essere estratto da queste immagini, consentendo rappresentazione di parenchimale e vascolare a fianco di un intera collezione di caratteristiche che influenzano le dinamiche di circolazione sanguigna. Questo protocollo può essere utilizzato per immagini caratteristiche di base parenchima corticali in Alta Frequenza modalità Ultrasuoni B modalità, le arterie carotidi basilari e interni (BA e ICA, rispettivamente) che compongono il circolo di Willis, cerebrale media (MCA) e altri dettagli dell'apparato circolatorio. Inoltre, il sangue flusso quantificazione, significa velocità di flusso, la descrizione del movimento direzionale e dati di saturazione di ossigeno può essere raccolto dal corticale a regioni cerebrali profonde.
Questa nuova strategia ha un grande potenziale per una varietà di applicazioni e soddisfa la necessità urgente di procedure affidabili per rappresentare funzioni cerebrali profonde che sono cruciali in diverse patologie. Inoltre, a causa della sua minima invasività, protocollo presentato può abilitare miriade studi di imaging possibili sul sistema nervoso centrale, in particolare quelli che richiedono monitoraggio a lungo termine o coinvolge modelli animali patologici delicati.
Il protocollo presentato è stato ottimizzato per fornire altamente efficace prestazioni di imaging cerebrale nei piccoli animali. Le immagini possono essere acquisite in diverse modalità, seguendo appunto le indicazioni circa i parametri di acquisizione e il posizionamento del trasduttore sul cranio forami. In particolare, il posizionamento sul lato temporale è la più critica, poiché gli Stati Uniti e il laser dobbiamo essere centrata nel modo più preciso possibile penetrare correttamente il forame, che è più piccolo di quello occipitale. Tuttavia, grazie a questa impostazione sperimentale, caratteristiche emodinamiche legate ai concorsi fisiologiche o patologiche sono accessibili e possono essere valutati anche in regioni cerebrali profonde, che sono solitamente difficili da caratterizzare.
Poiché acquisizione dell'immagine successo dipende dalla precisione del posizionamento trasduttore, questa dipendenza deve essere attentamente presi in considerazione perché può influire sulle prestazioni di imaging. Per esempio,alcune strutture anatomiche di interesse potrebbero non essere del tutto compresi nel piano di imaging acquisizione e la loro identificazione da immagini che offrono solo una visione parziale potrebbe risultare non ottimale. Inoltre, l'acquisizione di immagini e US PA eseguito in una modalità tridimensionale (Modalità 3D) non sarebbe compatibile con l'impostazione sperimentale descritto in precedenza, in quanto richiede il trasduttore a muoversi lungo un percorso automatizzato predefinito. Infine, a causa della variabilità naturale anatomica, la dimensione delle aperture cranio può variare significativamente tra gli animali, avendo così ripercussioni imprevedibili sul processo di acquisizione. Questo fatto rende la qualità dell'immagine dipende dalle caratteristiche di ogni individuo. Di conseguenza, l'impossibilità di applicare questa strategia ad alcuni animali deve essere considerato nella progettazione del protocollo sperimentale.
In particolare, un notevole interesse è destinataria emodinamica, grazie al suo ruolo fondamentale nel determinare labiodistribuzione di farmaci o altre molecole esogene dopo somministrazione sistemica 28-29. Le implicazioni applicative nel campo dell'imaging molecolare sono molti, che vanno dalla validazione di agenti di contrasto di imaging blood pool di studi drug delivery immagine monitorata richiedono ultrasuoni indotta BBB apertura 30. Tutti questi scopi di ricerca sarà certamente beneficiare della invasività del protocollo, visto che, senza ulteriori interventi chirurgici, il rischio di morte o di effetti collaterali indesiderati è sostanzialmente ridotto e monitoraggio a lungo termine sugli stessi modelli animali è fattibile.
In sintesi, il protocollo presentato consentirà al professionista di immagine in modo efficiente e interpretare correttamente la topografia anatomica e il pattern vascolare normali o patologici tessuti cerebrali in modelli animali di ricerca uso. Mentre i metodi attuali sono principalmente limitati a tomografiche di imaging corticale 25-27, questa impostazione dà l'opportunità to illustrare diversi processi che influenzano profondamente la fisiologia del cervello, fondendo i vantaggi offerti da entrambi immagini Uniti e PA.
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/ |