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.
Stratégies pour décrire minutieusement caractéristiques de l'hémodynamique du cerveau dans le système nerveux central de petits animaux sont nécessaires pour faire avancer le domaine des neurosciences 1-3. La technique présentée montre comment effectuer acoustique non invasive et l'imagerie photoacoustique sur les petites cerveau de l'animal afin d'examiner la biologie vasculaire, l'arrangement et la fonction.
Techniques d'imagerie optique permettent la localisation des événements liés à l'activité neuronale 2,4-5 et d'acquérir simultanément des signaux générés par l'hémoglobine tant dans les Etats oxygénés et non oxygénés 6. Toutefois, en raison de l'absorption photonique et de la diffusion, l'imagerie optique pur souffre de faible résolution spatiale et de tissus limitée profondeur de pénétration 7-8. Inversement, l'acoustique offrent la possibilité de réaliser une imagerie plus profonde avec une meilleure résolution spatiale de l'espace, mais il est entravé par le chatoiement et limitée contraste 9-11. En combinant les caractéristiques de la photonique wie ultrasons, technique photoacoustique améliore à la fois l'imagerie et les potentialités diagnostic des méthodes simples 12-16.
L'imagerie photo-acoustique du cerveau a le potentiel pour élucider des questions multiples en neurobiologie, cependant, la calotte qui protège naturellement l'encéphale, limite à la fois la pénétration dans les tissus et de 17 à 19 photonique à ultrasons de façon spectaculaire. En outre, les os de promouvoir la diffusion de la lumière et un son entraînant une perte de sensibilité et d'image aberrations 17-18. En conséquence, le cerveau et l'imagerie photo-acoustique à ultrasons peuvent être facilement réalisées sur des animaux nouveau-nés avant 20 l'ossification, mais l'anatomie et la physiologie profonde du cerveau adulte sont clairement accessibles seulement après la craniotomie 21,22. Malheureusement, la chirurgie nécessaire pour l'enlèvement du crâne est techniquement difficile et ses effets peut être nuisible à certaines fins expérimentales rendant ainsi difficile pour surveiller la progression de la maladie neuronale dans lemême animal au fil du temps. Par conséquent, une méthode non-invasive à l'image de la biologie cérébrale profonde dans les modèles de petits animaux est hautement souhaitable. Dans la littérature, le procédé de recyclage de photons 17 est signalé comme un moyen de réduire la perte de téléphone et d'augmenter la transmittance à travers le crâne intact, ce qui améliore le signal photoacoustique à bruit (SNR) et le contraste de la cible.
Le protocole présenté vise à fournir une méthode fiable pour sous-corticale acoustique du cerveau et l'imagerie photoacoustique sur des rongeurs recherche-utilisation (en particulier sur des rats) sans chirurgie invasive. La procédure est basée sur l'utilisation de dispositifs portables de transduction à haute fréquence des ultrasons et l'imagerie photo-acoustique. Contrairement à la technologie d'imagerie tomographique 23, portable et transducteurs directionnels 24 permettre la sélection des régions spécifiques du crâne avec une épaisseur réduite naturellement, appelé fissures ou scissures. Les grandes fentes (foramina) présents sur le vertébré uneNimal crâne sont nécessaires pour localiser les faisceaux de nerfs, des vaisseaux ou d'autres structures de liaison des circuits de encéphale internes à d'autres parties du corps. Les grandes fentes se trouvent dans les ouvertures d'os de différentes tailles qui peuvent être exploitées que des passages spécifiques pour des ondes ultrasonores et laser. Une telle imagerie ciblée réduit les effets de réflexion des ondes provoquées par des interfaces d'os et augmente la sensibilité en augmentant la profondeur de pénétration d'imagerie. Dans cette perspective, le transducteur d'imagerie peut être agencé de manière à être perpendiculaires aux fentes situées sur le temporel et sur le côté occipital du crâne (figure 1), afin de faire converger au maximum les ultrasons et les faisceaux photoniques sur ces zones. Cette orientation à la fois améliore la qualité du signal et force le signal de passer par une couche d'os plus minces par rapport à d'autres orientations crâniens. Ainsi, les ondes transmises et réfléchies sont soumis à un faible degré de dispersion, la collecte de signaux provenant de plus profond intenses permettantcouches de tissu. Contrairement aux procédures antérieures, ce paramètre expérimentale exige simplement animale raser la tête, alors qu'aucun autre chirurgie est nécessaire.
Avec le protocole proposé, l'imagerie est effectuée à une résolution spatiale relativement élevée, révélant à la fois, les structures anatomiques de référence spécifiques et les vaisseaux sanguins plus profonds que l'état actuel des méthodes de l'art, tout en la peau des animaux et du crâne reste intact. Images coronales et axiales uniques peuvent être acquises en exploitant diverses modalités ultrasons d'acquisition d'imagerie (B, Doppler puissance, Doppler couleur, mode pulsé Wave) en parallèle à l'imagerie photoacoustique. Un répertoire étendu de paramètres peut être extrait à partir de ces images, ce qui permet la représentation de parenchyme et de l'anatomie vasculaire le long de toute une collection d'éléments affectant la dynamique de la circulation sanguine. Ce protocole peut être utilisé pour l'image des caractéristiques du parenchyme cortical de base à haute fréquence en mode ultrasonique B modalité, les artères carotides internes (basilaires etBA et ICA respectivement) composant le polygone de Willis, l'artère cérébrale moyenne (MCA) et d'autres détails de l'appareil circulatoire. En outre, la quantification flux sanguin, vitesses moyennes de cours d'eau, directionnelle description du mouvement et des données de saturation en oxygène peuvent être recueillis auprès corticale aux régions profondes du cerveau.
Cette nouvelle stratégie offre un grand potentiel pour une variété d'applications et répond à la nécessité urgente de procédures fiables pour décrire les caractéristiques profondes du cerveau qui sont essentielles dans diverses pathologies. En outre, en raison de son caractère invasif minimal, le protocole présenté peut permettre des études d'imagerie possibles myriade sur le système nerveux central, en particulier ceux nécessitant une surveillance à long terme ou impliquant modèles délicats animales pathologiques.
Le protocole présenté a été optimisé pour fournir des performances très efficace de l'imagerie cérébrale chez les petits animaux. Les images peuvent être acquises en différentes modalités par précisément en suivant les indications sur les paramètres d'acquisition et le positionnement des capteurs sur le crâne foramen. En particulier, le positionnement sur le côté temporal est la plus critique, étant donné que les États-Unis et le laser a être centré de manière aussi précise que possible de pénétrer correctement le trou, ce qui est plus petite que celle occipital. Néanmoins, grâce à ce cadre expérimental, les caractéristiques hémodynamiques liées au concours physiologiques ou même pathologiques sont accessibles et peuvent être évalués, même dans les régions profondes du cerveau, qui sont généralement difficiles à caractériser.
Depuis l'acquisition d'images succès dépend de la précision du positionnement du transducteur, cette dépendance doit être soigneusement pris en compte car il peut affecter les performances d'imagerie. Par exemple,des structures anatomiques d'intérêt puissent être pas complètement inclus dans le plan de formation d'image d'acquisition et leur identification à partir d'images qui offrent qu'une vision partielle pourrait entraîner sous-optimale. En outre, une acquisition d'imagerie PA États-Unis et réalisée dans une modalité tridimensionnelle (mode 3D) serait pas compatible avec le paramètre expérimental décrit précédemment, car il nécessite de déplacer le transducteur le long d'un trajet prédéfini automatisée. Enfin, en raison de la variabilité anatomique naturelle, la dimension des ouvertures du crâne peut varier de manière significative chez les animaux, ayant ainsi des répercussions imprévisibles sur le processus d'acquisition. Ce fait rend la qualité de l'image dépend des caractéristiques de chaque personne. Par conséquent, l'impossibilité d'appliquer cette stratégie à des animaux doit être pris en compte lors de la conception du protocole expérimental.
Plus précisément, un intérêt remarquable est adressée à l'hémodynamique, en raison de son rôle fondamental dans la détermination de labiodistribution des médicaments ou d'autres molécules exogènes après l'administration systémique 28-29. Les implications applicatives dans le domaine de l'imagerie moléculaire sont nombreux, allant de la validation de la piscine de sang agents de contraste pour l'imagerie à des études d'administration de médicaments images surveillé nécessitant induite ultrasons BBB ouverture 30. Tous ces fins de recherche bénéficiera certainement de l'invasivité minimale du protocole, considérant que, sans une intervention chirurgicale supplémentaire, le risque de décès ou d'effets secondaires indésirables est sensiblement réduite et le suivi à long terme sur les mêmes modèles animaux est faisable.
En résumé, le protocole présenté permettra au praticien d'images de manière efficace et d'interpréter correctement la topographie anatomique et la vascularisation de tissus cérébraux normaux ou pathologiques sur des modèles animaux de recherche d'utilisation. Bien que les méthodes actuelles sont principalement limités à l'imagerie tomographique corticale 25-27, ce paramètre donne l'occasion to illustrer plusieurs processus qui influencent profondément la physiologie du cerveau, par la fusion des avantages fournis par imagerie à la fois des États-Unis et 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/ |