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.
هناك حاجة إلى استراتيجيات لوصف بدقة ملامح ديناميكا الدم في المخ في الجهاز العصبي المركزي من الحيوانات الصغيرة للمضي قدما في مجال علم الأعصاب 1-3. يوضح تقنية عرض كيفية تنفيذ الصوتية موسع والتصوير الضوئي على المخ الحيوانات الصغيرة من أجل دراسة البيولوجيا الأوعية الدموية، وترتيب وظيفة.
تقنيات التصوير الضوئية تسمح توطين الأحداث المتصلة النشاط العصبي 2،4-5 في وقت واحد تكتسب الإشارات الناتجة عن الهيموجلوبين في كل من الدول الاوكسيجين وغير المؤكسج 6. ولكن نظرا لامتصاص الضوئية ونثر، والتصوير الضوئي النقي يعاني من ضعف القرار المكانية والأنسجة محدودة عمق الاختراق 7-8. على العكس، الصوتيات تتيح الفرصة لإجراء التصوير أعمق لقرار الفضاء المكاني العالي، ولكن عرقلة من قبل رقطة ومحدود النقيض 9-11. من خلال الجمع بين ميزات من الضوئيات وايعشر الموجات فوق الصوتية، تقنية الضوئي يحسن كلا التصوير والإمكانات التشخيصية للطرق واحدة 12-16.
التصوير الضوئي للدماغ لديه القدرة على توضيح الأسئلة متعددة في علم الأعصاب، ومع ذلك، فإن قلنسوة تحمي من الطبيعي أن مخ، بشكل كبير يحد كل من الضوئية والموجات فوق الصوتية اختراق الأنسجة 17-19. وعلاوة على ذلك، والعظام تعزيز تناثر كل من الضوء والصوت مما أدى إلى فقدان الحساسية وصورة الانحرافات 17-18. ونتيجة لذلك، بالموجات فوق الصوتية والتصوير الضوئي الدماغ لا يمكن أن يؤديها بسهولة على الحيوانات الوليد قبل التحجر 20، ولكن التشريح العميق وفسيولوجيا الدماغ الكبار يمكن الوصول إليها بشكل واضح إلا بعد حج القحف 21،22. وللأسف، فإن الجراحة اللازمة لإزالة الجمجمة من الصعب من الناحية الفنية وآثاره يمكن أن يكون ضارا لبعض أغراض تجريبية وبالتالي يجعل من الصعب مراقبة تطور المرض العصبي فينفس الحيوان مع مرور الوقت. لذلك، وهي طريقة غير الغازية إلى الصورة البيولوجيا الدماغي العميق في نماذج حيوانية صغيرة مرغوب فيه للغاية. في الأدب وأفاد طريقة الفوتون إعادة تدوير 17 باعتبارها وسيلة للحد من فقدان الهاتف وزيادة النفاذية من خلال الجمجمة سليمة، وتحسين إشارة الضوئي إلى نسبة الضوضاء (SNR) وعلى النقيض من هذا الهدف.
ويهدف البروتوكول تعرض لتوفير وسيلة يمكن الاعتماد عليها لتحت القشرية الصوتية الدماغ والتصوير الضوئي على القوارض الاستخدام البحوث (على وجه التحديد على الفئران) دون أي عملية جراحية الغازية. ويستند هذا الإجراء على استخدام الأجهزة المحمولة لtransducing الموجات فوق الصوتية عالية التردد والتصوير الضوئي. وعلى النقيض من تكنولوجيا التصوير المقطعي 23، المحمولة ومحولات الطاقة اتجاهي 24 تمكين اختيار مناطق محددة الجمجمة مع انخفاض طبيعي سماكة، ووصف شقوق أو scissures. الشقوق الكبرى (الثقب) موجودة على الفقاريات لنيمال الجمجمة ضرورية لتحديد موقع حزم الأعصاب والأوعية أو غيرها من الهياكل التي تربط الدوائر مخ الداخلية إلى أجزاء أخرى من الجسم. تم العثور على شقوق كبيرة في فتحات العظام الحجم بشكل مختلف التي يمكن استغلالها كممرات محددة للموجات فوق الصوتية والليزر. هذا التصوير المستهدفة يقلل من الآثار الناجمة عن انعكاس موجة اجهات العظام ويزيد من حساسية من خلال تعزيز عمق الاختراق التصوير. في هذا المنظور، يمكن ترتيب محول التصوير ليكون عمودي على الشقوق الموجودة على الزمانية وعلى الجانب القذالي من الجمجمة (الشكل 1)، وذلك لتتلاقى الحد الأقصى الموجات فوق الصوتية والأشعة الضوئية على هذه المناطق. هذا التوجه سواء يعزز جودة الإشارة وقوات إشارة إلى المضي قدما من خلال طبقة العظام أرق فيما يتعلق التوجهات الجمجمة الأخرى. وهكذا، فإن الموجات التي تنتقل عن طريق وينعكس تخضع لدرجة أقل من نثر، وتمكين مجموعة من الإشارات المكثفة القادمة من أعمقطبقات الأنسجة. وعلى النقيض من إجراءات سابقة، يتطلب هذا الإعداد التجريبي رئيس الحلاقة مجرد حيوان، في حين لم عملية جراحية أخرى ضرورية.
مع البروتوكول المقترح، يتم إجراء التصوير في قرار مكانية عالية نسبيا، وكشف عن كليهما، إشارة محددة الهياكل التشريحية والأوعية الدموية أعمق من الحالة الراهنة للأساليب الفنية، في حين أن جميع من جلد الحيوان والجمجمة لا تزال سليمة. الصور الاكليلية والمحوري فريدة من نوعها يمكن الحصول عليها من خلال استغلال مختلف طرائق بالموجات فوق الصوتية اكتساب التصوير (B، دوبلر السلطة، لون دوبلر، نابض الوضع الموجة) بالتوازي مع التصوير الضوئي. ذخيرة موسعة من المعلمات يمكن استخلاصها من هذه الصور، مما يتيح تصوير متني والتشريح الأوعية الدموية جنبا إلى جنب مع مجموعة كاملة من الميزات التي تؤثر على ديناميكية الدورة الدموية. هذا البروتوكول يمكن استخدامها لصورة الأساسية ميزات حمة القشرية في بالموجات فوق الصوتية عالية التردد B وضع الطريقة، الشرايين السباتية القاعدي والداخلية (BA وICA على التوالي) يؤلف دائرة ويليس، والشريان الدماغي الأوسط (MCA) وغيرها من التفاصيل لجهاز الدورة الدموية. وعلاوة على ذلك، وتدفق الدم الكمي، يعني سرعات تيار، اتجاهي وصف الحركة والبيانات تشبع الأكسجين يمكن جمعها من القشرية لمناطق الدماغ العميقة.
تحمل هذه الاستراتيجية الجديدة إمكانات كبيرة لمجموعة متنوعة من التطبيقات وتلبي الحاجة الملحة لإجراءات موثوقة لتصوير ميزات الدماغ العميقة التي تعتبر حاسمة في مختلف الأمراض. وعلاوة على ذلك، بسبب الحد الأدنى من الغزو، ويمكن للبروتوكول المعروضة تمكين دراسات التصوير الممكنة لا تعد ولا تحصى على الجهاز العصبي المركزي، وخاصة تلك التي تتطلب رصد طويل الأجل أو التي تنطوي على نماذج حيوانية مرضية الحساسة.
وكان محسن بروتوكول قدمت من أجل توفير أداء فعالة للغاية تصوير الدماغ في الحيوانات الصغيرة. يمكن أن كان صور حصلت في طرائق مختلفة وتحديدا في أعقاب مؤشرات حول المعلمات الشراء وتحديد المواقع محول على الجمجمة الثقب. على وجه الخصوص، وتحديد المواقع على الجانب الزماني هو الأكثر أهمية، لأن الولايات المتحدة والليزر يجب أن تركز كما حد ممكن من الدقة لاختراق الثقبة، التي هي أصغر من واحد القذالي بشكل صحيح. ومع ذلك، وذلك بفضل هذا الإعداد التجريبي، وملامح الدورة الدموية المتعلقة مسابقات الفسيولوجية أو حتى مرضية يمكن الوصول إليها ويمكن تقييم حتى في مناطق الدماغ العميقة، التي عادة ما تكون صعبة لتوصيف.
منذ الحصول على الصور الناجح يعتمد على دقة تحديد المواقع محول، وهذا الاعتماد يجب أن يؤخذ في الاعتبار بعناية لأنها قد تؤثر على أداء التصوير. على سبيل المثال،بعض الهياكل التشريحية للاهتمام يمكن غير المدرجة تماما في الطائرة التصوير اقتناء والتعرف عليهم من الصور التي تقدم فقط رؤية جزئية يمكن أن يؤدي دون المستوى الأمثل. وعلاوة على ذلك، فإن عملية استحواذ التصوير الولايات المتحدة والسلطة الفلسطينية تؤدى في طريقة ثلاثية الأبعاد (3D الوضع) أن يكون غير متوافق مع إعداد التجريبية التي سبق وصفها، لأنه يتطلب محول للتحرك على طول مسار المؤتمتة محدد مسبقا. وأخيرا، وذلك بسبب التباين التشريحي الطبيعي، والبعد من فتحات الجمجمة قد تختلف بشكل كبير بين الحيوانات، وبالتالي وجود تداعيات لا يمكن التنبؤ بها على عملية الاستحواذ. هذه الحقيقة تجعل جودة الصورة تعتمد على خصائص كل فرد. وبالتالي، استحالة لتطبيق هذه الاستراتيجية لبعض الحيوانات لابد من أخذها في الاعتبار عند تصميم بروتوكول تجريبي.
على وجه التحديد، وتعالج مصلحة ملحوظة لديناميكا الدم، نظرا لدورها الأساسي في تحديدbiodistribution المخدرات أو جزيئات خارجية أخرى بعد إدارة النظامية 28-29. الآثار المترتبة تطبيقية في مجال التصوير الجزيئي كثيرة، بدءا من التحقق من تجمع الدم عوامل التباين التصوير لدراسات تسليم المخدرات رصدت صورة تتطلب الناجمة عن الموجات فوق الصوتية BBB افتتاح 30. فإن كل من أغراض البحث هذه الاستفادة بالتأكيد من الغزو الحد الأدنى للبروتوكول، بالنظر إلى أن، دون أي عملية جراحية إضافية، يتم تقليل خطر الوفاة أو الآثار الجانبية غير المرغوب فيها بشكل كبير ورصد طويل الأجل على نماذج حيوانية نفس ممكنا.
وباختصار، فإن بروتوكول المعروضة تمكين ممارس لكفاءة الصورة وبشكل صحيح تفسير تضاريس التشريحي ونمط الأوعية الدموية للأنسجة المخ المعتادة أو مرضية في النماذج الحيوانية الاستخدام البحوث. بينما الأساليب الحالية تقتصر أساسا إلى المقطعي التصوير القشرية 25-27، هذا الإعداد يعطي فرصة رس توضيح العديد من العمليات التي تؤثر فسيولوجيا الدماغ العميق، من خلال دمج مزايا التي تقدمها كل من الولايات المتحدة والتصوير السلطة الفلسطينية.
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/ |