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.
미세하게 작은 동물의 중추 신경계 뇌 혈류 역학의 기능을 설명하는 전략은 신경 과학 1-3의 필드를 사전에 필요합니다. 제시된 기술은 혈관 생물학, 배열과 기능을 검사하기 위해 작은 동물의 뇌에 비 침습적 음향 및 광 음향 이미징을 수행하는 방법을 보여줍니다.
광학 이미징 기술은 신경 활동 2,4-5 관련된 이벤트의 현지화를 허용하고 동시에 산소와 비 산화 된 상태 6 헤모글로빈에 의해 생성 된 신호를 획득. 그러나, 광자 흡수 및 산란, 순수한 광학 이미징은 가난한 공간 해상도와 제한된 조직 침투 깊이 7-8에서 겪고있다. 반대로, 음향 높은 공간 공간 해상도와 깊이 이미징을 수행 할 수있는 기회를 제공하지만,이 반점과 제한된 대비 9-11에 의해 방해된다. 포토닉스 위스콘신의 기능을 결합하여초음파 번째, 광 음향 기술은 영상과 하나의 방법 12-16의 진단 잠재력을 모두 향상시킨다.
뇌의 신경 생물학 광 음향 이미징에서 여러 문제를 해명 할 잠재력을 가지고 있지만, 당연히 극적 encephalon 보호 광자 초음파 조직 침투 17-19 모두 제한 skullcap. 또한, 뼈는 감도와 이미지 수차 (17 ~ 18)의 손실이 발생 빛과 소리 모두의 산란을 촉진한다. 결과적으로, 뇌 광 음향 및 초음파 촬상는 간단히 골화 20 신생아 동물에서 수행하지만, 성인 뇌의 깊은 해부학과 생리학은 개두술 21,22 후에 명확 접근 할 수있다. 유감스럽게도, 두개골 제거에 필요한 수술은 기술적으로 어렵고, 그 효과는 실험적인 목적에 따라서 신경 질병의 진행을 모니터하기 어렵게 대해 유해 할 수있다시간이 지남에 따라 같은 동물. 따라서, 작은 동물 모델에서 대뇌 깊은 화상 생물학 비 침습적 방법은 매우 바람직하다. 문헌에서 광자 리사이클 (17)의 방법은, 휴대 전화의 손실을 줄이고 잡음비 (SNR)와 타겟의 콘트라스트 광 음향 신호를 향상 그대로 두개골을 통해 투과율을 높이기위한 방법으로보고되어있다.
제시된 프로토콜은 어떤 침습 수술없이 (특히 쥐) 연구 사용 설치류에 피질 뇌 음향 및 광 음향 이미징을위한 신뢰할 수있는 방법을 제공하는 것을 목표로하고있다. 절차는 고주파 및 초음파 광 음향 이미징을위한 휴대용 열 변환 장치의 사용에 기초한다. 반면 영상 기술 (23), 휴대용 (24)는 자연적으로 감소 두께 특정 두개골 지역을 선택할 수 있도록 방향 센서를 단층 촬영하기 위해, 균열 또는 scissures 불린다. 척추 동물에 존재하는 주요 쪼개진 조각 (foramina)nimal 두개골은 신체의 다른 부위로 encephalon 내부 회로를 접속 다발 신경, 혈관 또는 다른 구조물을 찾을 필요가있다. 주요 쪼개진 조각은 초음파 및 레이저에 대한 특정 통로로 악용 될 수있는 다른 크기의 뼈 구멍에서 발견된다. 이러한 촬상 대상 뼈 인터페이스에 의한 파의 반사 효과를 감소시키고, 촬상 침투 깊이를 강화함으로써 감도를 증가시킨다. 이러한 관점에서, 상기 촬상 변환기는 이러한 영역에 초음파 광자 빔을 최대로 수렴시키기 위해, 시간적와 두개골 (도 1)의 후두부 측에 위치 갈라진 틈에 수직하도록 배열 될 수있다. 이 두 방향은 신호 품질을 개선하고, 다른 두개의 방향에 대해보다 얇은 뼈 층을 통해 진행하는 신호를 강제. 따라서, 송신과 반사파 깊은 유래 강한 신호들의 수집을 가능하게 산란의 정도가 낮은 겪는다조직층. 다른 수술이 필요하지하면서 이전 절차와는 달리,이 실험적인 설정은 단지 동물의 머리를 면도가 필요합니다.
제안 된 프로토콜로, 영상은 모두 특정 기준 해부학 적 구조와 기술 방법의 현재 상태보다 더 깊은 혈관, 동물의 피부와 두개골이 그대로 남아 모든 동안 공개, 상대적으로 높은 공간 해상도로 수행됩니다. 고유 관상 축 이미지는 광 음향 이미징 나란한 각종 초음파 화상 취득 양상 (B, 파워 도플러, 컬러 도플러, 펄 스파 모드)를 이용하여 취득 할 수있다. 파라미터의 레퍼토리 확장 혈행 역학 기능에 영향을 미치는 전체 컬렉션 함께 실질 혈관 해부학 묘사를 가능 이러한 이미지로부터 추출 될 수있다. 이 프로토콜은 고주파 초음파 B 모드 양상, 기저 및 내부 경동맥 (에 이미지를 기본 대뇌 피질의 실질 기능을 사용할 수 있습니다윌리스의 원을 구성 BA 및 ICA 각각), 중뇌 동맥 (MCA) 및 순환 장치의 다른 세부 사항. 또한, 혈류 정량은, 스트림의 속도, 방향 움직임 설명 및 산소 포화도 데이터를 의미하는 깊은 뇌 피질 영역들로부터 수집 될 수있다.
이 새로운 전략은 다양한 응용 프로그램을위한 큰 잠재력을 보유하고 있으며 다양한 병리에 매우 중요하다 깊은 뇌 기능을 묘사하기 위해 신뢰할 수있는 절차에 대한 긴급한 필요를 만족시킨다. 또한, 그 때문에 최소 침습적, 제시된 프로토콜은 중추 신경계에 대한 무수한 연구 가능한 촬상 장기 모니터링을 요구하거나 섬세한 병리학 동물 모델을 포함하는 특히을 활성화 할 수있다.
제시된 프로토콜은 작은 동물에서 매우 효과적인 뇌 이미징 성능을 제공하기 위해 최적화되었다. 이미지는 정밀하게 획득 파라미터 및 두개골 foramina 변환기에 대한 위치 표시를 따라 다른 양상에서 취득 할 수있다. US 레이저 올바르게 후두부 하나보다 작은 난원을 관통하도록 가능한 한 정확하게되도록 중심이 있기 때문에 특히, 시간적 측면에 위치 결정이 가장 중요하다. 그럼에도 불구하고,이 실험 환경 덕분에, 생리적 또는 병리 대회와 관련된 혈역학 적 기능에 액세스 할 수 있습니다, 심지어 보통의 특성을하기 어려운 깊은 뇌 영역에서 평가 될 수있다.
성공적인 화상 획득이 트랜스 듀서의 위치 정확성에 의존하기 때문에, 이러한 의존도는 촬상 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 신중하게 고려되어야한다. 예를 들어,관심의 일부 해부학 적 구조는 완전히 인수 영상 평면과 최적 될 수 있습니다 단지 부분적인 비전을 제공하는 이미지에서 자신의 식별에 포함되지 수 있습니다. 이 미리 정의 된 경로를 따라 이동이 자동화하는 변환기를 필요로하기 때문에 또한, 입체 양상 (3D 모드)에서 수행 US 및 PA 촬상 취득은 전술 한 실험 환경과 호환되지 않을 것이다. 마지막으로 인해 자연의 해부학 적 변화로, 두개골 구멍의 크기는 크게, 동물에 따라 다를 수있다 이렇게 획득 프로세스에 예상치 못한 영향을 데. 이 사실은 각 개인의 특성에 화질 의존한다. 결과적으로, 불가능은 실험 프로토콜을 설계 할 때 고려되어야 일부 동물에이 전략을 적용합니다.
특히, 주목할만한 관심 인해를 결정하는 근본적인 역할, 혈역학 적으로 발송전신 투여 후 28 ~ 29 약물이나 다른 외생 분자의 생체 분포. 분자 영상 분야에서의 의미는 실용적 초음파 유도 BBB 개구 (30)를 요구하는 화상 감시 약물 전달 연구 혈액 풀 영상 조영제의 유효성에 이르기까지 많다. 이러한 연구 목적 모두 확실히 추가 수술없이 사망 또는 부작용의 위험이 실질적으로 감소되고, 동일한 동물 모델에서 장기간 모니터링 가능하다, 즉 고려 프로토콜의 최소 침습 혜택 것이다.
요약하면, 제시된 프로토콜은 효율적으로 이미지와 정확하게 해부학 지형 및 연구 용 동물 모델에서 정상 또는 병리 적 뇌 조직의 혈관 패턴을 해석 개업있게된다. 현재의 방법은 주로 대뇌 피질의 영상 25-27 단층으로 제한되어 있지만,이 설정은 기회 t을 제공합니다O 모두 미국과 PA 이미징에서 제공하는 장점을 병합하여, 깊은 뇌의 생리에 영향을 미치는 여러 프로세스를 보여줍니다.
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/ |