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.
Strategier til minutiøst beskriver træk hjernen hæmodynamik i centralnervesystemet af små dyr er nødvendige for at fremme inden for Neuroscience 1-3. De præsenterede teknik viser, hvordan du udfører invasiv akustisk og Photoacoustic billeddannelse på små dyr hjerne for at undersøge vaskulær biologi, indretning og funktion.
Optiske billeddiagnostiske teknikker tillader lokalisering af begivenheder relateret til neurale aktivitet 2,4-5 og samtidig udvikler signaler genereret af hæmoglobin i både oxygenerede og ikke-iltet tilstande 6. Men på grund af fotonisk absorption og spredning, ren optisk billeddannelse lider af dårlig rumlig opløsning og begrænset væv indtrængningsdybde 7-8. Omvendt akustik giver mulighed for at udføre dybere billeddannelse med højere plads rumlig opløsning, men det hæmmes af speckle og begrænset kontrast 9-11. Ved at kombinere funktioner i fotonik with ultralyd, Photoacoustic teknik forbedrer både billedbehandling og diagnostiske muligheder af enkelte metoder 12-16.
Photoacoustic billeddannelse af hjernen har potentiale til at belyse mange spørgsmål inden for neurobiologi, dog kalot, der naturligt beskytter hjerne, dramatisk begrænser både den fotoniske og ultralyd vævspenetration 17-19. Desuden knogler fremmer spredning af både lys og lyd resulterer i tab af følsomhed og billede aberrationer 17-18. Som følge heraf, kan hjernen ultralyd Photoacoustic billeddannelse let udføres på nyfødte dyr før ossifikation 20, men den dybe anatomi og fysiologi af den voksne hjerne er klart kun tilgængelige efter kraniotomi 21,22. Desværre kirurgi nødvendig for kraniet fjernelse er teknisk svært og dens virkninger kan være til skade for nogle eksperimentelle formål og dermed gøre det vanskeligt at overvåge neurale sygdomsprogression isamme dyr over tid. Derfor er en ikke-invasiv metode til at afbilde dyb cerebral biologi i små dyremodeller er meget ønskeligt. I litteraturen fremgangsmåden foton genbruger 17 rapporteres som en måde at reducere telefonen tab og øge transmittansen gennem intakt kraniet, forbedre Photoacoustic signal-støjforholdet (SNR), og kontrasten af målet.
Den præsenterede protokol har til formål at give en pålidelig metode til subcortical akustisk hjerne og Photoacoustic imaging på forskning anvendelse gnavere (specielt på rotter) uden invasiv kirurgi. Proceduren er baseret på anvendelse af bærbare transducerende enheder for højfrekvent ultralyd og Photoacoustic billeddannelse. I modsætning til tomografisk billedteknologi 23, bærbare og retningsbestemte transducere 24 muliggør valg af bestemte cranium regioner med naturligt reduceret tykkelse, betegnes revner eller scissures. De store kløfter (foramina) til stede på hvirveldyr enNimal kranium er nødvendige for at lokalisere nerve bundter, fartøjer eller andre strukturer, der forbinder indre hjerne kredsløb til andre dele af kroppen. De store kløfter findes i forskellige størrelser knogle åbninger, der kan udnyttes som specifikke passager for ultralyd bølger og laser. En sådan målrettet billedbehandling reducerer bølgerefleksion virkninger forårsaget af knogle grænseflader og øger følsomheden ved at styrke den billeddannende indtrængningsdybde. I dette perspektiv kan den billeddannende transducer være indrettet til at være vinkelret på spalterne ligger på den tidsmæssige og occipital side af kraniet (figur 1), med henblik på maksimalt konvergere ultralyd og fotoniske bjælker på disse områder. Denne orientering både forbedrer signalkvaliteten og tvinger signalet for at gå gennem en tyndere knogle lag med hensyn til andre kraniale orienteringer. Således transmitterede og reflekterede bølger gennemgår en mindre grad af spredning, muliggør samling af intense signaler stammer fra dyberevævslag. I modsætning til tidligere procedurer, denne eksperimentelle indstilling kræver blot dyrehoved barbering, mens ingen anden kirurgi er nødvendig.
Med den foreslåede protokol, er billedbehandling udføres ved relativ høj rumlig opløsning, afslører både, referenceintervaller anatomiske strukturer og blodkar dybere end nuværende de bedste metoder, alt imens dyret huden og kraniet forbliver intakt. Unikke koronale og aksiale billeder kan erhverves ved at udnytte forskellige ultralyd Imaging Acquisition modaliteter (B, Power Doppler, Color Doppler, Pulserende bølgetilstand) Sideløbende med Photoacoustic billeddannelse. En udvidet repertoire af parametre kan udvindes fra disse billeder, så skildring af parenchymale og vaskulær anatomi sideløbende en hel samling af funktioner, der påvirker blodcirkulationen dynamik. Denne protokol kan bruges til billedet grundlæggende kortikale parenchymceller funktioner i High Frequency Ultrasonic B-tilstand modalitet, basilar og interne halspulsårer (BA og ICA henholdsvis) komponere Circle of Willis, arteria cerebri media (MCA) og andre oplysninger om kredsløbssygdomme apparat. Endvidere blodgennemstrømning kvantificering, betyder stream hastigheder, retningsbestemt bevægelse beskrivelse og iltmætning data kan indsamles fra kortikale til dybe hjerneområder.
Denne nye strategi rummer et stort potentiale for en lang række applikationer, og opfylder det presserende behov for pålidelige procedurer for at skildre dybe hjerne funktioner, der er afgørende i forskellige patologier. På grund af sin minimale invasiv, kan den præsenterede protokol muliggøre utallige mulige billeddiagnostiske undersøgelser af centralnervesystemet, især dem, der kræver langsigtede overvågning eller inddragelse sarte patologiske dyremodeller.
Den præsenterede protokol blev optimeret for at give yderst effektiv brain imaging resultater i små dyr. Billeder kan erhverves i forskellige modaliteter ved præcist efter anvisningerne om købet parametre og transduceren placering på kraniet foramina. Navnlig positionering på den tidsmæssige side er den mest kritiske, idet USA og laseren skal være centreret så præcist som muligt korrekt at trænge ind foramen, der er mindre end occipital én. Alligevel, takket være denne eksperimentelle omgivelser, hæmodynamiske funktioner relateret til fysiologiske eller patologiske konkurrencer er tilgængelige og kan evalueres selv i dybe områder af hjernen, som normalt er vanskelige at karakterisere.
Da vellykket billedoptagelse afhænger af nøjagtigheden af transduceren positionering, denne afhængighed skal tages nøje hensyn til, da det kan påvirke imaging ydeevne. For eksempel,nogle anatomiske strukturer af interesse kan ikke helt med i købet imaging fly og deres identifikation fra billeder, der tilbyder blot en delvis vision kan medføre suboptimal. Desuden ville et billeddannende erhvervelse USA og PA udføres i et tredimensionalt modalitet (3D-tilstand) være forenelig med den tidligere beskrevne eksperimentelle omgivelser, da det kræver transduceren at bevæge sig langs en foruddefineret automatiseret sti. Endelig, på grund af den naturlige anatomiske variation dimensionen af kraniet åbninger kan variere betydeligt blandt dyr, og derved få uforudsigelige konsekvenser for erhvervelse proces. Dette gør billedkvaliteten afhængig af de særlige kendetegn ved hver enkelt. Derfor at det er umuligt at anvende denne strategi til nogle dyr skal tages i betragtning ved udformningen af forsøgsprotokol.
Specifikt er en bemærkelsesværdig interesse rettet til hæmodynamik på grund af sin grundlæggende rolle i fastsættelsen afbiofordelingen af lægemidler eller andre eksogene molekyler efter systemisk administration 28-29. De applikativ konsekvenser inden for molekylær billeddannelse er mange, lige fra valideringen af blod pool imaging kontraststoffer til billedbaserede overvåget drug delivery undersøgelser, der kræver ultralyd-induceret BBB åbning 30. Alle disse forskningsformål vil helt sikkert drage fordel af minimal invasiv af protokollen, i betragtning af at uden yderligere kirurgi, er risikoen for død eller uønskede bivirkninger reduceres væsentligt og langsigtet overvågning på de samme dyremodeller er muligt.
Sammenfattende vil præsenterede protokol sætte den praktiserende læge til effektivt billede og korrekt fortolke anatomiske topografi og den vaskulære mønster af normale eller patologiske hjernevæv i forskning anvendelse dyremodeller. Mens de nuværende metoder hovedsageligt er begrænset til tomografisk kortikale billeddannelse 25-27, denne indstilling giver mulighed to illustrere flere processer, der påvirker dyb hjerne fysiologi, ved at sammenlægge fordele, som både USA og PA billeddannelse.
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/ |