تصوير الأعصاب وظيفية عن طريق الموجات فوق الصوتية تعطيل حاجز الدم في الدماغ والتصوير بالرنين المغناطيسي المنغنيز معززة لل

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

يوصف أسلوب لفتح على نطاق واسع حاجز الدم في الدماغ في الماوس باستخدام microbubbles والموجات فوق الصوتية. باستخدام هذه التقنية، ويمكن أن تدار المنجنيز للدماغ الفأر. لأن المنغنيز هو وكيل النقيض من التصوير بالرنين المغناطيسي الذي يتراكم في الخلايا العصبية استقطابها، هذا النهج يمكن التصوير من نشاط الخلايا العصبية.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Howles, G. P., Qi, Y., Rosenzweig, S. J., Nightingale, K. R., Johnson, G. A. Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI. J. Vis. Exp. (65), e4055, doi:10.3791/4055 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

على الرغم من أن الفئران هي نظام النموذج السائد لدراسة الأسس الوراثية والجزيئية لعلم الأعصاب، وتصوير الأعصاب وظيفية في الفئران لا يزال تحديا من الناحية التقنية. وقد استخدم نهج واحد، وتفعيل الناتج عن المنغنيز معززة للتصوير بالرنين المغناطيسي (AIM التصوير بالرنين المغناطيسي)، بنجاح لرسم خريطة نشاط الخلايا العصبية في القوارض 1-5. التصوير بالرنين المغناطيسي في AIM، المنغنيز 2 + يعمل التناظرية الكالسيوم وتتراكم في الخلايا العصبية استقطابها 6،7. لأن المنجنيز 2 + T يقصر الملكية الأنسجة ومناطق نشاط الخلايا العصبية في تعزيز مرتفعة التصوير بالرنين المغناطيسي. وعلاوة على ذلك، المنغنيز 2 + يزيل ببطء من المناطق المنشط، وبالتالي، لا يمكن أن يؤديها التحفيز خارج المغناطيس قبل التصوير، وتمكين مرونة أكبر التجريبية. ومع ذلك، لأن المنجنيز 2 + لا يعبر بسهولة حاجز الدم في الدماغ (ب ب ب)، على ضرورة فتح BBB قد حدت من استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي والهدف، وخاصة في الفئران.

أداة واحدة لفتح BBB هو ultrasound. على الرغم من المحتمل أن يسبب تلفا، إذا كانت تدار الموجات فوق الصوتية في تركيبة مع مليئة بالغاز microbubbles (أي عوامل التباين الموجات فوق الصوتية)، والضغط الصوتي المطلوبة لفتح BBB هو أقل من ذلك بكثير. ويمكن استخدام هذا المزيج من الموجات فوق الصوتية وmicrobubbles لفتح موثوق BBB دون التسبب في تلف الأنسجة 8-11.

هنا، ويقدم وسيلة لأداء AIM باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي والموجات فوق الصوتية microbubbles لفتح BBB. بعد الحقن في الوريد من microbubbles perflutren، يتم تطبيق الموجات فوق الصوتية غير مركزة شعاع نابض في الرأس الماوس حلق لمدة 3 دقائق. عن البساطة، ونشير إلى هذه التقنية من افتتاح BBB مع Microbubbles والموجات فوق الصوتية كما BOMUS 12. باستخدام BOMUS لفتح BBB طوال كلا نصفي الكرة المخية، ويدير المنجنيز للدماغ الفأر كله. بعد تنشيط التجريبية للفئران مخدرا خفيفا، ويستخدم AIM التصوير بالرنين المغناطيسي لرسم خريطة للاستجابة الخلايا العصبية.

إلىشرح هذا النهج، وتستخدم هنا BOMUS والتصوير بالرنين المغناطيسي خاصة لتعيين تحفيز الميكانيكية من جانب واحد من vibrissae في الفئران مخدرا بخفة 13. لأن BOMUS يمكن فتح BBB في جميع أنحاء الكرة الأرضية على حد سواء، ويستخدم الجانب unstimulated من الدماغ للسيطرة على لتحفيز خلفية غير محددة. ينجم عنها من تفعيل خريطة 3D يتفق تماما مع تمثيلات نشرت في المناطق vibrissae الحقل برميل قشرة 14. افتتاح بالموجات فوق الصوتية من BBB سريع، موسع، وقابلة للانتكاس، وبالتالي هذا النهج هو مناسبة لدراسات عالية الإنتاجية و / أو الطولي في الفئران مستيقظا.

Protocol

1. تجميع ومعايرة نظام الموجات فوق الصوتية

  1. نظام الموجات فوق الصوتية يبدأ مع محول بالموجات فوق الصوتية واحد عنصر بقطر واسعة بما يكفي لتغطية مخ الفأر، وتردد في مركز تتراوح بين 2 ميغاهيرتز. هو الدافع وراء محول بواسطة مكبر للصوت 50 ديسيبل في السلطة، وهذا مرتبط إلى مولد إشارة إلى أن تنتج تسلسل نبض بالموجات فوق الصوتية.
  2. لمعايرة الضغط الصوتي للنظام الموجات فوق الصوتية، واستخدام مائي لربط التيار الكهربائي المطبق على الضغط الصوتي الناتجة. وضع محول في خزان مياه فوق مائي. تطبيق نبض بسيط (على سبيل المثال، وهو جيباني؛ شبه جيبي 10 دورة في تواتر محول مع تردد تكرار النبض من 10 هرتز) إلى محول. استخدم مرحلة الترجمة من 3 محاور للبحث عن استجابة الذروة، والتي ينبغي أن تكون في مركز شعاع الموجات فوق الصوتية في التركيز على محول الطبيعية (حوالي 60 ملم لدينا قطرها 13 ملم محول ميغاهيرتز 2.15).
  3. إجراء قياسات عدة على مدى رن(ه) من الفولتية المدخلات (على سبيل المثال، 50-400 بالسيارات ع ع) للتحقق من الخطي للنظام. استخدام الانحدار الخطي البسيط لتقدير العلاقة بين المدخلات الجهد والضغط الصوتي. في نظامنا، توازي الفولتية المدخلات من 258 و 167 ص بالسيارات إلى ذروة السلبية الضغوط الصوتية من 0.52 و 0.36 ميجا باسكال.
  4. برنامج مولد إشارة لإنتاج تسلسل نبض الموجات فوق الصوتية التي تتكون من رشقات نارية من البقول الجيبية على التردد محول مع 50000 دورة في انفجار وفترة موجة من مرض التصلب العصبي المتعدد 64. استنادا الى قياسات المعايرة وتعيين السعة نبض لتوليد الضغوط الصوتية ذروة سلبية من 0.36 ميغاباسكال في وسط تركيز محول الطبيعية.

2. إعداد الكواشف

  1. حل المنغنيز tetrahydrate كلوريد (MnCl 2 · 4H 2 O) في الماء المعقم عند تركيز 100 ملم (300 mOsM) وفلتر تعقيم.
  2. انتاج الدهون perflutren المجهرية بواسطة "activatinز "القارورة في المحرض الصانع الموفر لمدة 45 ق. للحصول على يوم واحد من التجارب، ويمكن تفعيلها قارورة واحدة مرة واحدة في بداية النهار واستخدامها من دون إعادة تنشيط لبقية اليوم.
  3. مباشرة قبل الادارة microsphere، تستنهض الهمم القارورة باليد لمدة 1 دقيقة على resuspend والمجهرية. عندما سحب microbubbles من القارورة، لا حقن هواء الغرفة في قارورة، وهذا يحط من قدر microbubbles المتبقية. ترك قنينة بها حتى استخدام الأخيرة لليوم، وتخزينها بعد ذلك في الثلاجة. حافظ على هذا النحو، يمكن للقنينة واحدة تستمر عدة أيام. إعادة تنشيط قارورة المخزنة في المحرض، وذلك قبل الاستخدام لأول مرة في أيام لاحقة.

3. حيوان التحضير

  1. تخدير الحيوانات مع isoflurane، التي ألقاها مخروط الأنف. وينبغي تصميم جهاز مخروط الأنف لتحديد رأس الحيوان على وجه التحديد وموثوق بها في نفس الموقف في كل مرة. جهاز لدينا 15 يحافظ على رأسه في اله "الجمجمة وشقة" موقف (أي سطح الجمجمة ظهري أفقيا) المستخدمة في أطلس الدماغ Paxinos 16. عاير مخدر للحفاظ على معدل التنفس ما بين 85 و 125 نفسا لكل دقيقة. الحفاظ على درجة حرارة الجسم باستخدام مصباح حرارة الهواء أو في مهب. حماية العينين مع زيوت التشحيم.
  2. إزالة الشعر من فروة الرأس فأر باستخدام الانتهازي الكهربائية.
  3. وضع قسطرة الوريد الذيل وداخل الصفاق القسطرة (IP). للدراسات البقاء على قيد الحياة، تأكد من استخدام تقنية معقمة المناسبة؛ IP وضع القسطرة التي ظهرت في شريط فيديو لهذا المقال هو مناسب فقط لعدم البقاء على قيد الحياة تجارب.
  4. أي استعدادات الاضافية اللازمة لتنشيط الخلايا العصبية التجربة. لرسم الخرائط من التحفيز vibrissae من القشرة مجال برميل، واستخدام مجهر تشريح ومقص المجهرية لقطع vibrissae في أقرب وقت ممكن على سطح الجلد بدون جراب للغضب أو الجلد المحيط بها.
  5. مكان هلام الموجات فوق الصوتية علىفروة الرأس، ومن ثم انخفاض عمود المياه الواردة من ورقة رقيقة من البلاستيك (على سبيل المثال، والقمامة 7.6 ميكرون بطانة بن) على رأسه. الوصول إليها عن طريق مع عمود الماء مع مسحة القطن ذات الرؤوس على طرد أي فقاعات الهواء التي تحصل على المحاصرين في هلام الموجات فوق الصوتية. وضع محول بالموجات فوق الصوتية على مسافة تركيزه الطبيعي (58 ملم) مباشرة على دماغ الفأر في عمود من الماء، والقضاء على محول مع طرف الإصبع لإزالة أي فقاعات الهواء المحتبسة.

4. الدم في الدماغ افتتاح الحاجز مع Microbubbles والصوت الفائق (BOMUS)

  1. اعطاء حقن داخل الصفاق من الحل المنغنيز بجرعة IP ملمول / كغم 0.5. تتويج القسطرة داخل الصفاق وبالتالي فإن المنغنيز لا يسيل، وانتظر 10 دقيقة لتمكينها من توزيع (الشكل 1).
  2. لفتح BBB، ويدير 30 ميكرولتر من perflutren دهن المجهرية (DEFINITY تفعيل) عن طريق قسطرة الوريد الذيل، في وقت واحد، والشروع في تسلسل نبض بالموجات فوق الصوتية. Continue insonification لمدة 3 دقائق.

5. تحفيز الخلايا العصبية

  1. يسمح ما يقرب من 40 دقيقة لمستويات الدماغ من المنغنيز 2 + لتحقيق الاستقرار قبل البدء في تنشيط الخلايا العصبية. في هذه الطريقة، يمكن تعزيز خط الأساس دراماتيكية بسبب المنجنيز 2 يمكن تمييزها + نشر عبر BBB من تعزيز الفارق الدقيق بسبب التحفيز. ثم، تبدأ مع نموذج التحفيز التي تختارها (الشكل 1).
  2. لتحفيز vibrissae، إيقاف isoflurane وإزالة مخروط الأنف. تحرك الفرشاة الناعمة للفنان يدويا في حركة دائرية (1-5 هرتز) من خلال مجموعة vibrissae على مسافة حوالي 2-5 ملم من الجلد. الاستمرار في تنشيط لمدة 90 دقيقة. والمنغنيز له تأثير مهدئ والذي يسمح التحفيز غير المقيد للحيوان. إذا كان الحيوان يصبح قلق وإدارة 5٪ isoflurane عبر مخروط الأنف لمدة 15 ثانية تقريبا.

6. ماغنيتيج التصوير بالرنين

  1. بعد التحفيز، واستئناف التخدير عن طريق الأنف مخروط. مواصلة المحافظة على درجة حرارة الجسم وtitrating مستوى isoflurane إلى معدل التنفس من 85-125 الأنفاس لكل دقيقة.
  2. ضع الماوس في لفائف التصوير بالرنين المغناطيسي، ونقل إلى نظام التصوير بالرنين المغناطيسي. اكتساب عالية الدقة 3D T-1 المرجحة صور الرنين المغناطيسي. على سبيل المثال، استخدم التدرج 3D مدلل وأشار صدى (SPGR) تسلسل مع المعلمات التالية: مرة تكرار من 25 مللي ثانية؛ صدى وقت من 2 مللي، زاوية الوجه من 30 درجة، عرض النطاق الترددي من 15،63 كيلوهرتز؛ مجال الرؤية من 20 × 20 × 12 ملم؛ مصفوفة من 128 × 128 × 60.

7. صورة التحليل

  1. تحليل الصورة هو محدد في نموذج التحفيز المستخدمة. للتجربة التحفيز vibrissae (الشكل 2)، استيراد الصور من الحيوانات عدة في بيئة تحليل مناسب. إذا تم تحفيز بعض الحيوانات على اليمين بينما حفز الآخرين على اليسار، فلوريداIP بعض بحيث يتم فعليا على جميع الصور "اليسار حفز". ثم، للمقارنة بين الجانب حفز كل من الدماغ على الجانب المقابل لها unstimulated، خلق ازدواجية وعكست اليسار unstimulated يتم إنشاء مجموعة صورة. تسجيل جميع الصور إلى مساحة مشتركة ومن ثم تمهيد لهم 3 × 3 × 3 بكسل غاوسي نواة.
  2. تصدير البيانات إلى بيئة التحليل الرياضي، مثل MATLAB. اختياريا، وقناع التشريح غير ذات صلة في قواعد البيانات. كثافة تطبيع الصور من خلال طريقة تكرارية من Venot وآخرون. 17،18.
  3. استخدام المقترنة، اختبار T وحيد الذيل للمقارنة بين كل من الجانبين فوكسل حفز كل من الدماغ لفوكسل في المقابل المقابلة على الجانبين unstimulated من كل الدماغ.
  4. عرض الناتجة ف قيمة الخريطة لتحديد مناطق نشاط الفرق (الشكل 3).

8. ممثل النتائج

الطريقة المعروضة هنا واثنين من صندوق amental الخطوات التالية: (1) افتتاح BBB مع Microbubbles والموجات فوق الصوتية (BOMUS) و (2) تنشيط الناتج عن المنغنيز معززة للتصوير بالرنين المغناطيسي (AIM التصوير بالرنين المغناطيسي). لأن الخطوة الأخير يعتمد على السابق، فمن المهم للتحقق من BOMUS التنفيذ الناجح.

تعطيل حاجز الدم في الدماغ بعد تناوله لتي 1-تقصير وكيل النقيض من (مثل المنغنيز أو وكيل الجادولينيوم على أساس) ينتج عن ذلك زيادة في إشارة لحمة الدماغ على T-1 مرجح التصوير بالمقارنة مع العقول التي BOMUS لم يتم تنفيذ (الشكل 4). توزيع هذا التعزيز المنغنيز ليست موحدة تماما، على الرغم من أنه يتفق إلى حد ما بين الحيوانات. التوزيع لا يعكس فقط عدم التجانس في افتتاح BBB، بل هي أيضا جوهرية غير موحدة توزيع المنغنيز في الدماغ 19. وقد تم ديناميات المكاني والزماني لافتتاح المزيد من BBB صفها سابقا 12.

والأنف والحنجرة "> وبمجرد BOMUS نفذت بنجاح، فإن الخطوة التالية هي لتنفيذ AIM التصوير بالرنين المغناطيسي نماذج تجريبية كثيرة هي ممكن؛.. ومع ذلك، يجب أن يكون بسبب وجود محتمل يدحض الكثير من الضوابط والتحليل مصممة بعناية آثار التفنيد تشمل متجانسة BBB الافتتاح، تراكم غير متجانسة من المنغنيز في الدماغ، وديناميات الزمني للنشر المنغنيز، ونشاط الخلايا العصبية غير محددة. في هذه المظاهرة، تم تعيين استجابة الخلايا العصبية لتحفيز من جانب واحد من vibrissae. لمراعاة التجانس والمنغنيز تدفق، فإن الجانب unstimulated كل من الدماغ وقد استخدم بوصفه الرقابة الداخلية. لحساب لنشاط الخلايا العصبية غير محددة قد تختلف بين الحيوانات، واستخدام تحليل التجارب الإحصائية لتحديد المناطق التي كانت على الدوام بين مختلف الحيوانات (الشكل 2). وكانت النتائج على خريطة الفرق ثلاثي الأبعاد و ثلاثي الأبعاد ف قيمة خريطة (الشكل 3)، على الجانب الأيمن من المناطق التي أشارت إلىمن أعلى إشارة المقابل إلى vibrissae حفز. وأشار الجانب الأيسر من الخريطة التي كان إشارة مناطق أعلى بكثير المماثل للvibrissae حفز. التعرف على خريطة ف قيمة منطقة واسعة من إشارة إلى ارتفاع المقابل vibrissae حفز التي تتوافق مع مجال برميل من القشرة الحسية الأولية، والتي استجابة لvibrissae تم توثيقها على نطاق واسع من قبل التحفيز الكهربية 20،21 والدراسات 2-deoxyglucose. وقد تم نشر مناقشة أكثر اكتمالا من هذه النتائج من قبل 13.

الشكل 1
الشكل 1. بروتوكول جدول زمني لتصوير الأعصاب وظيفي مع BOMUS وخاصة التصوير بالرنين المغناطيسي (بتصرف من Howles وآخرون. 13).

الشكل 2
مخطط تحليل شخصية 2. لتحديد المناطق سو كثافة مختلفة بين الجانبين، وحفز unstimulated من كل الدماغ. للمقارنة بين الجانب حفز كل من الدماغ على الجانب المقابل لها unstimulated، وهو تكرار وعكست اليسار unstimulated يتم إنشاء مجموعة صورة. يتم تسجيل هذه الصور وتصفيتها وتسويتها. أخيرا، في اختبار يقارن الصور من اليسار واليسار حفز unstimulated. هو "الاقتران" اختبار تي بحيث يتم مقارنة فقط الجانب حفز كل من الدماغ إلى جانب unstimulated من الدماغ نفسه. اختبار تي هي "واحدة الذيل" بحيث جانب واحد من خريطة ف قيمة يشير إشارة أعلى بكثير على الجانب حفز الدماغ، في حين أن الجانب الآخر من الخريطة ف قيمة يشير إشارة أعلى بكثير على الجانب unstimulated لل الدماغ (بتصرف من Howles وآخرون. 13).

الشكل (3)
الشكل 3. نتائج تحليل مجمعة من 7 الحيوانات في الموقفين محوري مختلفة. تي انه يبين العمود الأول متوسط ​​جميع الصور المسجلة الانحياز، بحيث فعليا على جميع الفئران وكان vibrissae اليسرى حفز. وغطى هذه الصور مع خريطة ملونة تشير إلى الزيادة في المئة في المتوسط ​​في إشارة إلى كل قريب فوكسل إلى نصف الكرة الأرضية المقابل، كما يدل على ذلك شريط اللون. المناطق الملونة على الجانب الأيمن من الصورة تظهر فيها نصف الكرة الأرضية المقابل على تحفيز لديهم أعلى إشارة. المناطق الملونة على الجانب الأيسر من الصورة تظهر فيها نصف الكرة المماثل لتحفيز لديهم أعلى إشارة. العمود الثاني يبين صور نفسه مضافين مع الخريطة ف قيمة تشير إلى الأهمية الإحصائية للزيادة في إشارة. العمود الثالث يبين نفسه ف قيمة خريطة مضافين على الأرقام المقابلة من الأطلس التجسيمي Paxinos 16 مع الحقول برميل من القشرة الحسية مظللة (بتصرف من Howles وآخرون. 13).

/ 4055/4055fig4.jpg "/>
الشكل 4. التوزيع المكاني للالمنغنيز 2 + في الدماغ. تم الحصول على الصور 170 دقيقة بعد 0،5 MnCl IP مليمول / 2 كيلو من BOMUS المعاملة (ن = 5) والسيطرة (ن = 4) الفئران. بعد تطبيع، يعني وحسبت خرائط الانحراف المعياري (لوحة اليسار). وكانت أكبر زيادة في الفئران BOMUS المعالجة. وإن كان هذا التعزيز ليست موحدة في جميع أنحاء الدماغ، وكان ثابت تقريبا، ما عدا بالقرب من حواف الدماغ والبطينين. استخدام المناطق ذات الاهتمام (رويس) رسمها حول مختلف الهياكل، تم احتساب متوسط ​​SNR (+ 1 SD) عبر كل مجموعة (لوحة على اليمين). وأظهرت BOMUS المعالجة الحيوانات أكبر SNR ولكن أيضا أكبر الفرق بين الهياكل وبين الحيوانات (بتصرف من Howles وآخرون. 13).

الشكل 5
الشكل 5. دراسة الآثار الأنسجة من BOMUS، كانت ثابتة من أدمغة الفئران المعالجة BOMUS، حد ذاتهctioned في 500 - فترات ميكرون، وملطخة هيماتوكسيلين ويوزين. يظهر متوسط ​​عدد خلايا الدم الحمراء extravasations ينظر في كل قسم من الدماغ عن الضغوط الصوتية من 0.36 ميغاباسكال (ن = 3) ميغاباسكال 0.52، (ن = 4)، و 5.0 ميجا باسكال (ن = 1). أشرطة الخطأ إظهار الخطأ المعياري. الفريق الثاني يظهر مثال شديد الدم الحمراء تسرب خلية من الدماغ تتعرض لميغاباسكال 5.0 (بتصرف من Howles وآخرون. 12).

الشكل (6)
الشكل 6. تم استخدام الاختبار السلوكي الكمي لتقييم النشاط، والإثارة، والقدرة على الاستجابة قبل التخدير، و 3 و 24 ساعة بعد الشفاء من التخدير. واستند نظام تسجيل النقاط، التي سبق وصفها 12، على راسخة التقييم الكمي الماوس السلوكية تطويربقلم اروين في عام 1968 22. سلوك متوسط ​​(± SEM) درجة للسيطرة على (ن = 3) وBOMUS (0.36 ميجا باسكال) معاملة (ن = 8) ويرد الحيوانات. بالنسبة إلى خط الأساس قبل التخدير، وجميع الحيوانات تظهر انخفاضا في درجة سلوك 3 ساعات بعد التخدير، لكنها الى حد كبير على التعافي في اليوم التالي. في كل نقطة مرة، كان ينظر لا فرق بين المجموعتين، مشيرا إلى أن BOMUS لم يؤثر بشكل ملموس سلوك الحيوان (بتصرف من Howles وآخرون. 12).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

هنا، وقدم طريقة لفتح noninvasively بي بي بي طوال مخ الفأر كامل مع الموجات فوق الصوتية وmicrobubbles (BOMUS). مع مفتوحة BBB، المنغنيز 2 + كانت تدار وتفعيل بفعل المنغنيز معززة للتصوير بالرنين المغناطيسي (AIM MRI) تم استخدامه لاستجابة الخلايا العصبية صورة لمدة قصيرة التحفيز في الفئران مخدرا خفيفا.

وقد تحقق كاف BBB الافتتاح مع ضغط ذروة سلبية الصوتية من 0.36 ميغاباسكال. لاحظ، وهذا هو الضغط على سطح فروة الرأس في مركز شعاع الموجات فوق الصوتية. قياسات الشخصي شعاع للمحول واحد العنصر تشير إلى أن الضغط الصوتي على حافة شعاع ليست سوى حوالي 0.12 ميجا باسكال. بعد ذلك، من خلال تخفيف الجمجمة يقلل من ضغط تصل الى الدماغ عن طريق 25٪ المقدرة (derating على أساس وآخرون تشوي (23). وتعديلها للتردد). هذا يشير إلى أن BBB اضطراب وقعت في ذروة سلبية الضغوط الصوتية من 0.09 ميغاباسكال (في مركز شعاع لدينا) إلى 0.03 ميجا باسكال (على الحافة). هذه الضغوط هي أقل من المستويات (عادة 0،4-0،5 ميغا باسكال) وذكرت في مكان آخر 24. وهذا قد عتبة ضغط منخفض يكون راجعا إلى أعلى جرعة من microbubbles الدهون المستخدمة في هذا العمل (ما يقرب من 1.2 مل / كغ) بالمقارنة مع الآخرين. في حين أن جرعة من microbubbles المستخدمة أعلى من الجرعة الموصى بها الإنسان التشخيصية (10 ميكروليتر / كجم)، لم تراع آثار سلبية.

على النحو المحدد هنا، وتقنية BOMUS هو موسع وعكسها، ولكن لديها القدرة على التسبب في الضرر. في الأعمال السابقة 12، وجرى تقييم الفئران التي عولجت مع BOMUS عن الأضرار نسيجية (الشكل 5)، وتغيرات سلوكية (الشكل 6). وارتبطت ذروة سلبية الضغوط الصوتية من 0.36 ميغاباسكال مع الآثار السلبية لا المرصودة (الشكل 6). ومع ذلك، وارتبطت 0.52-ميغاباسكال BOMUS مع عدد صغير من داخل المخ أحمر extravasations خلايا الدم في مجموعة فرعية من الحيوانات (

كما أن تقنية BOMUS غير المحتمل أن يسبب تلفا، والمنغنيز وأيضا معروف سمية 25. ومن المعروف MN 2 + أن يكون لها آثار سامة على الموصل العصبي العضلي والجهاز العصبي 26 27. هذا سمية هي المسؤولة على الأرجح لنعاس من الفئران بعد الإدارة، وعلى الرغم من أن آلية هذا التأثير غير معروف. لحوالي 60 دقيقة الاولى من التحفيز، الماوس لا تزال نعسان إلى حد ما ولكن لا يزال يستجيب للمؤثرات المؤلمة مثل قرصة اصبع القدم. هذا يسمح للماوس على تحمل التحفيز دون الحاجة إلى ضبط النفس البدني. في تجربتنا، هذه نعاس غير كافية لحوالي 60 دقيقة وبعد ذلك الحيوان قد تصبح لا يهدأ. ويمكن ضبط النفس كيميائية إضافية تكونchieved حسب الحاجة مع حوالي 15 ثانية من 5٪ isoflurane عبر الرؤوس. في هذه المظاهرة، سهلت نعاس لتحفيز vibrissae، ومع ذلك، يمكن أيضا أن خفضت استجابة الخلايا العصبية في القشرة برميل.

بالإضافة إلى إدارة ببساطة المنغنيز 2 +، ويمكن استخدام هذه التقنية على الصعيد العالمي لإدارة BOMUS غيرها من وكلاء التشخيص أو العلاج. في العمل قبل، وقد استخدم BOMUS لإدارة GD-DTPA، وكيل النقيض من التصوير بالرنين المغناطيسي، إلى الدماغ. 12 ومع ذلك، تظل العديد من الأسئلة حول طبيعة نفاذية BBB حققت مع BOMUS. الأول، أنه ليس من الواضح ما هي العوامل حجم قادرة على عبور BBB بعد BOMUS. كلا المنغنيز 2 + و GD-DTPA (500 دا) هي عبارة عن جزيئات صغيرة نسبيا. الثاني، أنه ليس من الواضح مدى نفاذية BBB يختلف على الدماغ. ثالثا، ليس من الواضح ما إذا كان افتتاح BBB هو تأثير ثنائي نسبيا، أو إذا المعلمات افتتاح معينة يمكن أن تؤثر على حجم أو سعر الموادتخلل. على الرغم من GD-DTPA موزعة بالتساوي إلى حد ما من خلال الدماغ في الدراسة المشار إليها أعلاه، ربما كان صغيرا جدا وقابل للانتشار أيضا للكشف عن أي اختلافات في نفاذية.

على الرغم من هذه الشكوك فيما يتعلق BOMUS، فإن هذه الطريقة فعالة لإدارة بسرعة المنغنيز 2 + لغرض التصوير بالرنين المغناطيسي، AIM. وقد استخدمت AIM-MRI في الفئران لتعيين استجابة الخلايا العصبية لتحفيز (1-2 أيام) على المدى الطويل في 28-30 الفئران، ولكن مع هذا النهج الجديد، والتجارب التحفيز على المدى القصير من الممكن الآن. في السابق، إدارة سريع من المنغنيز 2 + كان الوحيد الممكن مع انقطاع BBB التناضحي باستخدام الحقن intracarotid من مانيتول التوتر. وكان هذا النهج العملي الوحيد في الفئران ونماذج أكبر حيوان، ولكن حتى في الفئران، واقتصرت هذه الدراسات من قبل الغازية وunilaterality من هذه التقنية. لأنه لا يمكن أن يؤديها BOMUS noninvasively، يجب تنشيط اليقظة والدراسات الطولية يكون من الممكن الآن. وعلاوة على ذلك، بيكااستخدم المنغنيز 2 + يمكن ان تدار على كل من نصفي الكرة المخية، مجموعة واسعة من نماذج التحفيز ممكنة. في المظاهرة المذكورة أعلاه، فإن الإدارة الثنائية المنغنيز 2 + سمح نصف الكرة unstimulated القيام بدور الرقابة الداخلية، بحيث يمكن فصل استجابة الخلايا العصبية لتحفيز خلفية غير محددة من الاستجابة لتحفيز vibrissae من جانب واحد.

بالإضافة إلى السيطرة على لتحفيز خلفية غير محددة، في نصف الكرة unstimulated أيضا كانت تستخدم للسيطرة على التجانس والتوافق في ادارة المنغنيز. كما رأينا في التجارب المنغنيز معززة للتصوير بالرنين المغناطيسي الأخرى 19، وتوزيع البيانات (الشكل 4) تشير إلى أن تقنية BOMUS لا يوفر تعزيز متجانس من الدماغ. وهكذا، من دون ضوابط كافية (الحيوانات سيطرة أو نصف الكرة unstimulated)، والمناطق مع زيادة ارتفاع خط الأساس يصعب تمييزها عن المناطق التي ايلىإشارة الصوت الرقمي ويرجع إلى نشاط الخلايا العصبية.

على الرغم من أن خط الأساس المنغنيز 2 + التعزيز ليست متجانسة، ونمط ينسجم إلى حد ما بين الأفراد. ومع ذلك، يمكن أن اختلافات طفيفة في هذا الجهاز على خط الأساس يحجب إشارة AIM-MRI. في هذه المظاهرة، تناولنا هذه المشكلة المحتملة التي بلغ متوسطها إشارة AIM-التصوير بالرنين المغناطيسي على الحيوانات عدة. بدلا من ذلك، يمكن أن تشكل الاختلافات في تعزيز خط الأساس لمن خلال الحصول على ما قبل التحفيز الصور.

الطريقة المعروضة هنا يتطلب تحليل صورة كبيرة الإحصائية، والذي بدوره يتطلب عالية الدقة تسجيل صورة. بالطبع، هذا التسجيل هو معنى إلا إذا تم الحصول على البيانات المصدر مع القرار (في جميع الأبعاد الثلاثة) التي هي أدق بما فيه الكفاية من هياكل الفائدة. في هذه التظاهرة، تم الحصول عليها صور 3D مع voxels الخواص تقريبا ما يقرب من 160 ميكرون في كل البعد، الذي سمح للممتازالتشريحية تسجيل. ومع ذلك، قد يحد من تسجيل صورة القرار المكانية من هذه المناطق أسلوب واحد في misregistration طفيف متوسط ​​التدريجي يمكن صغيرة جدا من تعزيز. ويمكن لمبات المخيخ وحاسة الشم يكون من الصعب بشكل خاص للتسجيل، لأن لديهم وتعزيز الطبقات بدقة وغالبا ما تكون خارج المحاذاة مع المخ.

هنا، قدمنا ​​طريقة لرسم خرائط استجابة الخلايا العصبية لمدة قصيرة المحفزات في الفئران مستيقظا. وإن لم تكن بسيطة، فإن هذه الطريقة العملية نسبيا ويمكن الوصول إليها. وهذا ينبغي أن مناقشة تفصيلية لأوجه القصور والدقيقة نأمل تمكين القارئ لتطبيق هذه التقنية على أسئلتهم التجريبية الخاصة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

تم تنفيذ جميع الأعمال في مركز ديوك للفي المجهر فيفو، والمعاهد الوطنية للصحة / NIBIB التكنولوجيا الطبية الحيوية وطني مركز الموارد (P41 EB015897) والمعهد القومي للسرطان التصوير الحيوانات الصغيرة برنامج الموارد (U24 CA092656). وقدم دعم إضافي من جبهة الخلاص الوطني للبحوث زمالة دراسات عليا (2003014921).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hydrophone Sonora Medical Systems, Longmont, CA SN S4-251
Translation stage Newport Corporation, Irvine, CA
Ultrasound transducer Olympus NDT, Inc., Waltham MA A306S-SU Review the manufacturer's test sheet that accompanies the transducer to find the exact center frequency of that particular transducer, which may differ from the nominal frequency listed in the catalog. (e.g., the nominal frequency of our transducer was 2.25 MHz, but the actual center frequency was 2.15 MHz.)
Vevo Imaging Station VisualSonics, Inc. Toronto, Canada
50 dB power amplifier E&I, Rochester, NY model 240L
Signal generator Agilent Technologies, Santa Clara, CA model 33220A
MnCl2-(H2O)4 Sigma Molecular weight varies by batch, call manufacturer for exact measurement
Perflutren lipid microspheres Lantheus Medical Imaging, N. Billerica, MA DEFINITY
Microsphere agitator Lantheus Medical Imaging, N. Billerica, MA VIALMIX
MR imaging coil m2m Imaging Corp., Hillcrest, OH 35 mm diameter quadrature transmit/receive volume coil
MRI system GE Healthcare, Milwaukee, WI GE EXCITE console operating a 7-T horizontal bore magnet
Image analysis environment Visage Imaging, San Diego, CA, MathWorks, Natick MA Amira MATLAB

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Aoki, I. Detection of the anoxic depolarization of focal ischemia using manganese-enhanced MRI. Magnet. Reson. Med. 50, 7-12 (2003).
  2. Aoki, I. Dynamic activity-induced manganese-dependent contrast magnetic resonance imaging. DAIM MRI). Magnet. Reson. Med. 48, 927-933 (2002).
  3. Duong, T. Q., Silva, A. C., Lee, S. P., Kim, S. G. Functional MRI of calcium-dependent synaptic activity: Cross correlation with CBF and BOLD measurements. Magnet. Reson. Med. 43, 383-392 (2000).
  4. Lin, Y. J., Koretsky, A. P. Manganese ion enhances T-1-weighted MRI during brain activation: An approach to direct imaging of brain function. Magnet. Reson. Med. 38, 378-388 (1997).
  5. Lu, H. B. Cocaine-induced brain activation detected by dynamic manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI). P. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 2489-2494 (2007).
  6. Drapeau, P., Nachshen, D. A. Manganese fluxes and manganese-dependent neurotransmitter release in presynaptic nerve-endings isolated from rat-brain. J. Physiol-London. 348, 493-510 (1984).
  7. Narita, K., Kawasaki, F., Kita, H. Mn and Mg influxes through Ca channels of motor-nerve Terminals are prevented by verapamil in Frogs. Brain Res. 510, 289-295 (1990).
  8. Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220, 640-644 (2001).
  9. Sheikov, N., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F., Hynynen, K. Cellular mechanisms of the blood-brain barrier opening induced by ultrasound in presence of microbubbles. Ultrasound Med. Biol. 30, 979-989 (2004).
  10. McDannold, N., Vykhodtseva, N., Raymond, S., Jolesz, F. A., Hynynen, K. MRI-guided targeted blood-brain barrier disruption with focused ultrasound: Histological findings in rabbits. Ultrasound Med. Biol. 31, 1527-1537 (2005).
  11. McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Targeted disruption of the blood-brain barrier with focused ultrasound: association with cavitation activity. Phys. Med. Biol. 51, 793-807 (2006).
  12. Howles, G. P. Contrast-enhanced in vivo magnetic resonance microscopy of the mouse brain enabled by noninvasive opening of the blood-brain barrier with ultrasound. Magnet. Reson. Med. 64, 995-1004 (2010).
  13. Howles, G. P., Qi, Y., Johnson, G. A. Ultrasonic disruption of the blood-brain barrier enables in vivo functional mapping of the mouse barrel field cortex with manganese-enhanced MRI. Neuroimage. 50, 1464-1471 (2010).
  14. Woolsey, T. A., Welker, C., Schwartz, R. H. Comparative anatomical studies of sml face cortex with special reference to occurrence of barrels in layer-4. J. Comp. Neurol. 164, 79-94 (1975).
  15. Howles, G. P., Nouls, J. C., Qi, Y., Johnson, G. A. Rapid production of specialized animal handling devices using computer-aided design and solid freeform fabrication. J. Magnet. Reson. Imag. 30, 466-471 (2009).
  16. Paxinos, G., Franklin, K. B. J. The mouse brain in stereotaxic coordinates. 2nd edn, Academic Press. (2001).
  17. Cross, D. J. Statistical mapping of functional olfactory connections of the rat brain in vivo. Neuroimage. 23, 1326-1335 (2004).
  18. Venot, A., Lebruchec, J. F., Golmard, J. L., Roucayrol, J. C. An automated-method for the normalization of scintigraphic images. J. Nucl. Med. 24, 529-531 (1983).
  19. Aoki, I., Naruse, S., Tanaka, C. Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) of brain activity and applications to early detection of brain ischemia. Nmr. Biomed. 17, 569-580 (2004).
  20. Welker, E., Vanderloos, H. Quantitative correlation between barrel-field size and the sensory innervation of the whiskerpad - a comparative-study in 6 strains of mice bred for different patterns of mystacial vibrissae. J. Neurosci. 6, 3355-3373 (1986).
  21. McCasland, J. S., Woolsey, T. A. High-resolution 2-deoxyglucose mapping of functional cortical columns in mouse barrel cortex. J. Comp. Neurol. 278, 555-569 (1988).
  22. Irwin, S. Comprehensive observational assessment : A systematic quantitative procedure for assessing behavioral and physiologic state of mouse. Psychopharmacologia. 13, 222-257 (1968).
  23. Choi, J. J., Pernot, M., Small, S. A., Konofagou, E. E. Noninvasive, transcranial and localized opening of the blood-brain barrier using focused ultrasound in mice. Ultrasound Med. Biol. 33, 95-104 (2007).
  24. McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Use of ultrasound pulses combined with definity for targeted blood-brain barrier disruption: A feasibility study. Ultrasound Med. Biol. 33, 584-590 (2007).
  25. Silva, A. C., Lee, J. H., Aoki, L., Koretsky, A. R. Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI): methodological and practical considerations. Nmr. Biomed. 17, 532-543 (2004).
  26. Meiri, U., Rahamimoff, R. Neuromuscular transmission - inhibition by manganese ions. Science. 176, 308 (1972).
  27. Aschner, M., Guilarte, T. R., Schneider, J. S., Zheng, W. Manganese: Recent advances in understanding its transport and neurotoxicity. Toxicol. Appl. Pharm. 221, 131-147 (2007).
  28. Watanabe, T., Frahm, J., Michaelis, T. Manganese-enhanced MRI of the mouse auditory pathway. Magnet. Reson. Med. 60, 210-212 (2008).
  29. Yu, X., Wadghiri, Y. Z., Sanes, D. H., Turnbull, D. H. In vivo auditory brain mapping in mice with Mn-enhanced MRI. Nat. Neurosci. 8, 961-968 (2005).
  30. Yu, X. Statistical mapping of sound-evoked activity in the mouse auditory midbrain using Mn-enhanced MRI. Neuroimage. 39, 223-230 (2008).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics