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.
אסטרטגיות לתאר בדקדקנות תכונות של פרמטרים המודינמיים מוח במערכת העצבים המרכזית של בעלי חיים קטנים הנדרשות לקידום תחום מדעי המוח 1-3. הטכניקה שהוצגה מדגימה כיצד לבצע אקוסטית פולשני והדמיה photoacoustic על המוח של בעלי חיים קטנים על מנת לבחון ביולוגיה של כלי דם, הסדר ותפקוד.
טכניקות הדמיה אופטיות מאפשרות לוקליזציה של אירועים הקשורים לפעילות עצבית 2,4-5 ובו זמנית לרכוש אותות שנוצרו על ידי המוגלובין הן במדינות מחומצן ו- מחומצן שאינם 6. עם זאת, עקב ספיגה ופיזור פוטונים, הדמיה אופטית טהורה סובלת מרזולוציה מרחבית ירודה ועומק חדיר לרקמות מוגבלות 7-8. לעומת זאת, אקוסטיקה מציעה את ההזדמנות כדי לבצע הדמיה עמוקה יותר עם רזולוציה מרחבית גבוהה יותר מרחב, אבל זה הפריע לעומת זאת רבב ומוגבל 9-11. על ידי שילוב של תכונות של wi פוטוניקסה אולטרסאונד, טכניקת photoacoustic משפרת גם הדמיה ואבחון פוטנציאל של שיטות יחידים 12-16.
ההדמיה photoacoustic של המוח יש את הפוטנציאל להבהיר שאלות רבות בנוירוביולוגיה, עם זאת, כי באופן טבעי הכיפה מגנה גזע המוח, באופן דרמטי מגבילה שני 17-19 חדיר לרקמות פוטוניים ואולטרא סאונד. יתר על כן, עצמות לקדם פיזור של שני אור וקול וכתוצאה מכך האובדן של סטיות רגישות ותמונת 17-18. כתוצאה מכך, על-קולי מוח וההדמיה photoacoustic יכולים להתבצע בקלות על בעלי חיים ילוד לפני התאבנות 20, אבל את האנטומיה והפיסיולוגיה העמוקה של המוח הבוגר הן בבירור נגישות רק לאחר 21,22 craniotomy. למרבה הצער, הניתוח הדרוש להסרת גולגולת הוא מבחינה טכנית קשה והשפעותיו יכולות להיות מזיקות לכמה מטרות ניסוי ובכך מקשות לעקוב אחר התקדמות מחלה עצבית בבעלי חיים זהים לאורך זמן. לכן, שיטה לא פולשנית לביולוגיה מוחית עמוקה תמונה במודלים של בעלי חיים קטנים היא רצויה מאוד. בספרות בשיטה של ממחזר פוטון 17 דווחה כדרך להפחית את אובדן הטלפון ולהגדיל את העברה דרך הגולגולת שלמה, שיפור אות photoacoustic יחס רעש (SNR) והניגודיות של היעד.
הפרוטוקול שהוצג נועד לספק שיטה אמינה לאקוסטית קורטיקליים מוח והדמיה photoacoustic על מכרסמים מחקר שימוש (במיוחד על חולדות) ללא כל ניתוח פולשני. ההליך מבוסס על השימוש במכשירים ניידים transducing לאולטרסאונד בתדר גבוה וההדמיה photoacoustic. בניגוד לטומוגרפיה טכנולוגיית הדמיה 23, ניידת ומתמר כיוונית 24 לאפשר בחירה של אזורי גולגולת הספציפיים עם עובי מופחת באופן טבעי, מכונה סדקים או scissures. הבקיעים הגדולים (foramina) קיימים בחוליותnimal הגולגולת נחוצות כדי לאתר את צרורות עצבים, כלי או מבנים אחרים חיבור מעגלי גזע מוח פנימיים לחלקים אחרים של הגוף. הבקיעים הגדולים נמצאים בפתחי עצם בגודל שונה, שניתן לנצל כקטעים ספציפיים לגלי אולטרסאונד ולייזר. הדמיה ממוקדת כגון מפחיתה תופעות השתקפות גל שנגרמו על ידי ממשקי עצם ומגבירה את הרגישות על ידי שיפור עומק חדירת הדמיה. בפרספקטיבה זו, מתמר ההדמיה ניתן לארגן להיות בניצב לבקיעים הממוקמים על הזמן ועל הצד העורפי של הגולגולת (איור 1), על מנת להתכנס אולטרסאונד וקורות פוטוניים באזורים אלה מקסימאלי. נטייה זו גם משפרת את איכות אות ומאלצת את האות כדי להמשיך דרך שכבת עצם דקה יותר ביחס לנטיות גולגולת אחרות. לפיכך, הגלים המשודרים ובאו לידי ביטוי לעבור דרגה נמוכה יותר של פיזור, המאפשרים איסוף של אותות אינטנסיביים שמקורם עמוק יותרשכבות רקמה. בניגוד לנהלים קודמים, הגדרה ניסיונית זו דורשת גילוח ראש רק בבעלי חיים, בזמן שאין ניתוח אחר הוא הכרחי.
עם הפרוטוקול המוצע, הדמיה מתבצעת ברזולוציה מרחבית גבוהה יחסית, חושף שני, מבנים אנטומיים התייחסות ספציפית וכלי דם עמוקים יותר ממצב הנוכחי של שיטות אמנות, כל זאת תוך עורות בעלי החיים והגולגולת נותרו על כנן. ניתן לרכוש תמונות העטרה וציריות ייחודיות על ידי ניצול שיטות שונות קולי רכישת הדמיה (B, דופלר כוח, הצבע דופלר, פעמו גל מצב) במקביל להדמית photoacoustic. רפרטואר מורחב של פרמטרים ניתן לחלץ מהתמונות האלה, המאפשרים תיאור של רקמת ריאה, ואנטומיה של כלי דם בצד את כל אוסף של תכונות המשפיעות על דינמיקת זרימת דם. פרוטוקול זה יכול לשמש כדי תכונות parenchyma תמונה בסיסיות בקליפת המוח בתדר גבוה אפנות Ultrasonic B Mode, עורקי ראש basilar והפנימיים (תואר ראשון וICA בהתאמה) המרכיבים את מעגל ויליס, עורק המוח התיכון (MCA) ופרטים נוספים של מנגנון הדם. יתר על כן, זרימת דם כימות, אומרת מהירויות זרם, תיאור תנועה כיוונית ונתונים ריווי חמצן ניתן לאסוף מקליפת המוח לאזורי מוח עמוקים.
אסטרטגיה חדשה זו מחזיקה פוטנציאל גדול עבור מגוון רחב של יישומים ומספקת את הצורך הדחוף בנהלים אמין לתאר תכונות מוח עמוקות שהם קריטיים בפתולוגיות שונות. כמו כן, בשל הפולשנות המזערית שלה, הפרוטוקול המובא יכול לאפשר לימודים עצום אפשריים הדמיה על מערכת העצבים המרכזית, במיוחד אלה הדורשים מעקב ארוך-טווח או מעורבים מודלים של בעלי חיים פתולוגיים עדינים.
הפרוטוקול שהוצג היה מותאם כדי לספק ביצועי הדמיה מוחית יעילים מאוד בבעלי חיים קטנים. ניתן לרכוש תמונות באופנים שונים על ידי דווקא בעקבות הסימנים על הפרמטרים הרכישה והמיצוב מתמר על foramina גולגולת. בפרט, המיקום בצד הזמני הוא הקריטי ביותר, שכן בארה"ב ובליזר צריך להיות מרוכזות באופן מדויק ככל האפשר לחדור בצורה נכונה נקב, שהוא קטן יותר מעורפי אחד. עם זאת, הודות להגדרת ניסוי זה, תכונות hemodynamic הקשורים לתחרויות פיזיולוגיות או פתולוגי אפילו נגישות וניתן להעריך אפילו באזורי מוח עמוקים, אשר בדרך כלל קשות לאפיון.
מאז רכישת תמונה מוצלחת תלויה במידת הדיוק של המיקום מתמר, תלות זו צריכה להילקח בחשבון בזהירות כי זה עלול להשפיע על ביצועי ההדמיה. לדוגמא,כמה מבנים אנטומיים של עניין יכולים להיות שלא נכללו לגמרי במטוס ההדמיה רכישה וזיהוי שלהם מתמונות שמציעות רק חזון חלקי עלולים לגרום לא טוב. יתר על כן, רכישת הדמיה בארה"ב והרשות הפלסטינית מתבצעת בשיטה תלת-ממדית (3D Mode) תהיה לא תואמת את ההגדרה הניסיונית שתוארה קודם לכן, שכן הוא דורש מתמר לנוע לאורך נתיב automatized מוגדר מראש. לבסוף, בשל השונות האנטומית טבעיות, הממד של פתחי גולגולת עשוי להשתנות באופן משמעותי בקרב בעלי חיים, ובכך יש השלכות בלתי צפויות על תהליך הרכישה. עובדה זו הופכת את איכות התמונה תלויה במאפיינים של כל אדם. כתוצאה מכך, חוסר האפשרות ליישם אסטרטגיה זו לחלק מבעלי החיים שיש לשקול בעת תכנון פרוטוקול הניסוי.
באופן ספציפי, עניין יוצא דופן מופנה לפרמטרים המודינמיים, בשל תפקידה העיקרי לקביעתbiodistribution סמים או מולקולות אקסוגניים אחרות לאחר מתן מערכתי 28-29. ההשלכות אפליקטיביים בתחום ההדמיה המולקולרית הן רבות, החל האימות של סוכנים בניגוד ההדמיה בריכת דם ללימודי משלוח סמים בפיקוח תמונה הדורשים מושרה אולטרסאונד BBB פתיחת 30. כל מטרות מחקר אלה בהחלט ייהנו מהפולשנות המזערית של הפרוטוקול, בהתחשב בכך ש, ללא כל ניתוח נוסף, את הסיכון למוות או תופעות לוואי בלתי רצויים מופחת באופן משמעותי וניטור ארוך טווח באותו מודלים של בעלי החיים הוא אפשרי.
לסיכום, הפרוטוקול המובא יאפשר למטפל ביעילות ובצורה נכונה תמונה לפרש את הטופוגרפיה אנטומיים ודפוס כלי הדם של רקמות מוח נורמליות או פתולוגי במודלים של בעלי החיים מחקר שימוש. בעוד שיטות הנוכחיות הן בעיקר מוגבלות לטומוגרפיה הדמיה קליפת המוח 25-27, הגדרה זו נותנת ההזדמנות to להמחיש כמה תהליכים המשפיעים על פיזיולוגיה של מוח עמוק, על ידי מיזוג יתרונות הניתנים על ידי שתי ההדמיה בארה"ב והרשות הפלסטינית.
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/ |