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 for å minutt beskrive trekk ved hjerne hemodynamikk i sentralnervesystemet hos små dyr for å fremme feltet av nevro 1-3. Den presenterte teknikken viser hvordan du utfører invasiv akustisk og akustiske bildebehandling på små dyr hjernen for å undersøke vaskulær biologi, arrangement og funksjon.
Optiske avbildningsteknikker tillate lokalisering av hendelser knyttet til nevrale aktiviteten 2,4-5 og samtidig hente inn signaler generert av hemoglobin både i oksygen og ikke-oksygen stater 6. Imidlertid, på grunn av fotoniske absorpsjon og spredning, lider ren optisk avbildning av dårlig romlig oppløsning og begrenset vevspenetrering dybde 7-8. Omvendt, akustikk tilbyr muligheten til å utføre dypere bildebehandling med høyere plass romlig oppløsning, men det er hindret av flekk og begrenset kontrast 9-11. Ved å kombinere funksjonene i fotonikk with ultralyd, forbedrer akustiske teknikk både bildediagnostikk og diagnostiske potensialer enkle metoder 12-16.
Foto-akustisk avbildning av hjernen har potensial til å belyse flere spørsmål i neurobiology imidlertid den kalott som naturlig beskytter encephalon, dramatisk begrenser både fotoniske og ultrasonisk vevspenetrasjon 17-19. Videre bein fremme spredning av både lys og lyd som resulterer i tap av følsomhet og bilde avvik 17-18. Som en konsekvens, kan hjernen ultralyd og foto-akustisk avbildning bli lett utført på nyfødte dyr før ossifikasjon 20, men den dype anatomi og fysiologi av den voksne hjernen er klart tilgjengelig kun etter kraniotomi 21,22. Dessverre er den operasjon som er nødvendig for fjerning av skallen er teknisk vanskelig, og dens virkning kan være skadelig for noen eksperimentelle formål og dermed gjøre det vanskelig å overvåke nevrale sykdomsprogresjon isamme dyr over tid. Derfor er en ikke-invasiv metode til bilde dyp hjernebiologi i små dyremodeller svært ønskelig. I litteraturen metoden for foton Recycler 17 er rapportert som en måte å redusere telefon tap og øker transmittansen gjennom det intakte hodeskallen, forbedre den foto-akustiske signal til støyforhold (SNR) og kontrasten av målet.
Den presenterte protokollen som mål å gi en pålitelig metode for subkortikal hjernen akustisk og akustiske bildebehandling på forskningsbruk gnagere (spesielt på rotter) uten invasiv kirurgi. Fremgangsmåten er basert på bruk av bærbare overførende anordninger for høyfrekvent ultralyd og foto-akustisk avbildning. I motsetning til tomographic bildeteknologi 23, bærbar og retnings transdusere 24 muliggjør valg av bestemte kraniet regioner med naturlig redusert tykkelse, betegnes sprekker eller scissures. De store kløfter (foramina) til stede på virveldyr enNimal skallen er nødvendig for å lokalisere nervebunter, skip eller andre konstruksjoner som forbinder indre encephalon kretser til andre deler av kroppen. De store kløfter finnes i forskjellig størrelse bein åpninger som kan utnyttes som bestemte passasjer for ultralydbølger og laser. Slik målrettet bildebehandling reduserer bølge refleksjon effekter forårsaket av bein grensesnitt og øker følsomheten ved å styrke bildebehandling inntrengningsdybde. I dette perspektiv kan avbildnings transduseren være innrettet til å stå vinkelrett på de spalter som ligger på den temporale og oksipitale på siden av hodeskallen (figur 1), for å maksimalt konvergerer ultralyd og fotoniske bjelker på disse områdene. Denne orientering både forbedrer signalkvaliteten og tvinger signalet for å gå gjennom en tynnere ben sjikt med hensyn til andre kraniale orienteringer. Således, de utsendte og reflekterte bølger gjennomgår en mindre grad av spredning, slik at samlingen av intense signaler som kommer fra dyperevev lag. I motsetning til tidligere fremgangsmåter, denne eksperimentelle omgivelser krever bare dyrehode barbering, mens ingen annen operasjon er nødvendig.
Med den foreslåtte protokollen, er bildebehandling utført ved relativt høy romlig oppløsning, avslører begge, spesifikke referanse anatomiske strukturer og blodkar dypere enn nåværende tilstand av kunstmetoder, alt mens dyret hud og skalle forbli intakt. Unike koronale og aksiale bilder kan bli kjøpt ved å utnytte ulike ultralydavbildning oppkjøps modaliteter (B, Power Doppler, Color Doppler, Pulsed Wave Mode) i parallell til akustisk bildebehandling. En utvidet repertoar av parametere kan hentes ut fra disse bildene, slik skildring av parenkymatøs og vaskulær anatomi sammen med en hel samling av funksjoner som påvirker blodsirkulasjonen dynamikk. Denne protokollen kan brukes til bildegrunnleggende kortikale parenchyma funksjoner i High Frequency Ultralyd B Mode modalitet, basilaris og interne carotis arteriene (BA og ICA henholdsvis) komponere Circle of Willis, Midt Cerebral Artery (MCA) og andre detaljer i sirkulasjonsapparatet. Videre blodstrøm kvantifisering, mener stream hastigheter, retningsbestemt bevegelse beskrivelse og oksygenmetning data kan hentes fra hjernebarken til dype områder av hjernen.
Denne nye strategien har et stort potensiale for en rekke applikasjoner og tilfredsstiller det presserende behovet for pålitelige prosedyrer for å skildre dype hjernefunksjoner som er avgjørende i forskjellige patologier. Videre, på grunn av sin minimal invasivitet, kan det presenteres protokollen aktiver utallige mulige imaging studier på sentralnervesystemet, spesielt de som krever langsiktig overvåking eller involverer delikat patologiske dyremodeller.
Den presenterte protokollen ble optimalisert for å gi svært effektiv hjerne bildeytelse i små dyr. Bilder kan bli kjøpt i ulike modaliteter ved nøyaktig etter indikasjoner om oppkjøps parametere og svinger posisjonering på skallen foramina. Spesielt er det posisjonering på temporale siden den mest kritiske, siden USA og laseren må være sentrert så nøyaktig som mulig å fullstendig penetrere foramen, som er mindre enn den occipital en. Likevel, takket være denne eksperimentelle omgivelser, hemodynamiske egenskaper relatert til fysiologiske eller patologiske konkurranser er tilgjengelig og kan bli beregnet, selv i dype områder av hjernen, som vanligvis er vanskelige å karakterisere.
Etter vellykket bildeoverføring er avhengig av nøyaktigheten av transduseren posisjonering, har denne avhengigheten å være nøye tas i betraktning fordi det kan påvirke bildeytelse. For eksempel,noen anatomiske strukturer av interesse kan ikke være helt i anskaffelsesbildeplanet og deres identifikasjon fra bildene som tilbyr bare en delvis syn kan føre suboptimal. Dessuten ville en USA og PA avbildning anskaffelse utføres i en tre-dimensjonal modalitet (3D-modus) vil være ikke er kompatibel med den tidligere beskrevne eksperimentelle omgivelser, siden det krever transduseren til å bevege seg langs en forhåndsbestemt bane automatisert. Til slutt, på grunn av den naturlige anatomiske variasjon, kan dimensjonen av skallen åpninger variere betydelig blant dyr, og dermed har uforutsigbare konsekvenser på anskaffelsesprosessen. Dette faktum gjør at bildekvaliteten avhengig av egenskapene til hvert individ. Følgelig, for å umulig anvende denne strategien til noen dyr må tas i betraktning ved utformingen av den eksperimentelle protokollen.
Nærmere bestemt er en bemerkelsesverdig interesse rettet til hemodynamikk, på grunn av dens grunnleggende rolle i å bestemmebiodistribusjon av narkotika eller andre eksogene molekyler etter systemisk administrasjon 28-29. De nødvendige ferdighetene implikasjoner innen Molecular Imaging er mange, alt fra valideringen av bildekontrastmidler blod basseng til bilde-overvåket stoffet leverings studier som krever ultralyd-indusert BBB åpning 30. Alle disse forskningsformål vil sikkert ha nytte av den minimal invasivitet av protokollen, med tanke på at, uten noen ytterligere kirurgi, er risikoen for død eller uønskede bivirkninger vesentlig redusert og langsiktig overvåking på de samme dyremodeller er gjennomførbart.
Oppsummert vil det presenteres protokollen aktivere utøveren å effektivt bilde og tolke den anatomiske topografi og den vaskulære mønster av normale eller patologiske hjernevev i forskningsbruk dyremodeller. Mens dagens metoder er i hovedsak begrenset til tomographic kortikal bildebehandling 25-27, gir denne innstillingen muligheten to illustrere flere prosesser som påvirker dyp hjernefysiologi, ved å flette fordeler som tilbys av både amerikanske og PA bildebehandling.
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/ |