הדמייה תפקודית באמצעות שיבוש Ultrasonic הדם למוח הגדר מנגן משופרת MRI

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

הטכניקה מתוארת בהרחבה על פתיחת מחסום דם מוח של עכבר באמצעות microbubbles ו אולטרסאונד. באמצעות טכניקה זו, מנגן יכול להינתן למוח עכבר. כי הוא מנגן חומר ניגוד MRI שמצטבר בנוירונים depolarized, גישה זו מאפשרת הדמיה של הפעילות העצבית.

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

למרות עכברים הם מערכת מודל דומיננטי לחקר הבסיס הגנטי והמולקולרי של מדעי המוח, הדמייה תפקודית בעכברים נותר מאתגר מבחינה טכנית. גישה אחת, הפעלת-induced מנגן משופרת MRI (AIM-MRI), שימש בהצלחה למפות בפעילות העצבית מכרסמים 1-5. במטרה MRI, Mn 2 + פועל אנלוגי סידן מצטבר נוירונים depolarized 6,7. בגלל Mn 2 + מקצר את הנכס T 1 רקמות, אזורי הפעילות העצבית גבוה ישפר ב-MRI. יתר על כן, Mn 2 + מנקה לאט מאזורי הופעל, ולכן הגירוי יכול להתבצע מחוץ מגנט לפני הדמיה, מה שמאפשר גמישות רבה יותר ניסיוני. עם זאת, מאחר Mn 2 + לא בקלות לחצות את המחסום שבין הדם למוח (BBB), הצורך לפתוח BBB הגביל את השימוש AIM MRI, בעיקר בעכברים.

אחד הכלים לפתיחת BBB הוא ultrasound. למרות שעלול להזיק, אם אולטרסאונד ניתנת בשילוב עם גז מלאות microbubbles (כלומר, בניגוד סוכני אולטרסאונד), לחץ אקוסטיות הנדרש לפתיחת BBB נמוך בהרבה. שילוב זה של אולטרסאונד microbubbles ניתן להשתמש באופן אמין לפתוח BBB מבלי לגרום נזק לרקמות 8-11.

הנה, שיטת מוצג לביצוע MRI AIM באמצעות microbubbles ו אולטרסאונד כדי לפתוח את ד. לאחר הזרקה תוך ורידית של microbubbles perflutren, קרן ממוקדת אולטרסאונד פעמו יחול על ראש מגולח העכבר במשך 3 דקות. לשם הפשטות, אנו מכנים את הטכניקה הזו של פתיחה BBB עם microbubbles ו אולטרסאונד כמו BOMUS 12. שימוש BOMUS לפתוח BBB לאורך שתי אונות המוח, מנגן ניתנת במוח העכבר כולו. לאחר הגירוי הניסיוני של עכברים מסוממים קלות, AIM-MRI משמש למפות את התגובה העצבית.

אללהדגים גישה זו, להלן BOMUS והמטרה MRI מהווים בסיס למיפוי גירוי מכני חד צדדי של vibrissae אצל עכברים מסוממים קלות 13. בגלל BOMUS יכול לפתוח BBB ברחבי ההמיספרות הצדדים, הצד unstimulated של המוח משמש לשליטה על רקע גירוי ספציפי. מפת כתוצאה ההפעלה 3D מסכים גם עם ייצוגים שפורסמו האזורים vibrissae השדה לחבית קליפת 14. פתיחת קולי של BBB הוא מהיר, לא פולשנית, ו הפיך, ולכן גישה זו מתאימה ללימודי תפוקה גבוהה ו / או אורך בעכברים ערים.

Protocol

1. להרכיב כיול מערכת אולטרסאונד

  1. מערכת אולטרסאונד מתחיל מתמר יחיד אלמנט אולטרסאונד בקוטר רחב מספיק כדי לכסות את המוח העכבר תדר מרכז בטווח של 2 מגה הרץ. מתמר הוא מונע על ידי מגבר 50-DB-הכוח, אשר מחובר מחולל אותות שמייצר את רצף הדופק אולטרסאונד.
  2. כדי לכייל את הלחץ האקוסטי של מערכת אולטרסאונד, להשתמש hydrophone להתייחס מתח להחיל את הלחץ שנוצר אקוסטי. מניחים את מתמר במיכל מים על hydrophone. החל דופק פשוט (למשל, sinusoid 10 מחזור בתדירות של מתמר בתדירות החזרה הדופק של הרץ 10) כדי מתמר. השתמש שלב 3-ציר תרגום למצוא את התגובה שיא, אשר אמור להיות במרכז של הקורה אולטרסאונד במוקד הטבעית של מתמר (כ 60 מ"מ על 13 מ"מ מתמר שלנו בקוטר 2.15 מגה הרץ).
  3. לבצע מדידות על כמה צלצלהדואר של מתח הזנה (למשל, עמ '50-400 mV) כדי לאמת את הליניאריות של המערכת. השתמש רגרסיה ליניארית פשוטה להעריך את הקשר בין מתח הזנה ולחץ אקוסטית. במערכת שלנו, מתח הזנה של 258 ו - 167 mV עמ תואם את שיא שלילי לחצים אקוסטיים של 0.52 ו 0.36 מגפ"ס.
  4. תוכנית מחולל אותות לייצר הדופק אולטרסאונד רצף המורכב פרצי פולסים סינוסי בתדר מתמר עם 50,000 מחזורי להתפוצץ בכל תקופה פרץ של 64 מילישניות. בהתבסס על מדידות הכיול, לקבוע את המשרעת הדופק כדי לייצר שיא שלילי לחצים אקוסטיים של 0.36 מגפ"ס במרכז המיקוד הטבעית של מתמר.

2. להכין את ריאגנטים

  1. ממיסים tetrahydrate כלוריד מנגן (MnCl 2 · 4H 2 O) של מים סטריליים בריכוז של 100 מ"מ (300 mOsM) ומסנן לעקר.
  2. לייצר את השומנים microspheres perflutren ידי "activatinG "בקבוקון של תועמלן היצרן סיפק את 45 של. ליום של ניסויים, בקבוקון אחד יכול להיות מופעל פעם אחת בתחילת היום להשתמש בו ללא הפעלה מחדש עד סוף היום.
  3. בסמוך לפני ממשל microsphere, להתסיס את הבקבוקון ביד דקות 1 עד resuspend microspheres. כאשר נסיגה microbubbles מבקבוקון, אל להזרים אוויר לתוך החדר בקבוקון, שכן הדבר מבזה את microbubbles הנותרים. השאירו את הבקבוקון מעמד עד השימוש האחרון של היום, ולאחר מכן לאחסן אותו במקרר. מתוחזק באופן זה, בקבוקון אחד יכול להימשך מספר ימים. להפעיל מחדש את הבקבוקון מאוחסנים מסית, לפני השימוש הראשון בימים הבאים.

3. בעלי חיים הכנה

  1. להרדים את החיות עם isoflurane, מועברים על ידי חרטומו. המנגנון חרוט האף צריך להיות מתוכנן לתקן את ראשו של בעל החיים בדיוק ובאמינות באותה תנוחה כל הזמן. המכשיר שלנו 15 שומר על ראש הה "גולגולת שטוחה" העמדה (כלומר, המשטח הגבי הגולגולת הוא אופקי) המשמש את המוח Paxinos אטלס 16. לכיל הרדמה כדי לשמור על קצב הנשימה בין 85 לבין 125 נשימות לכל דקה. לשמירה על חום גופם באמצעות מנורת חום או אוויר מנופחת. להגן על העיניים עם חומר סיכה.
  2. להסיר את השיער מהקרקפת העכבר באמצעות גוזם חשמלי.
  3. מניחים וריד הזנב קטטר קטטר intraperitoneal (IP). לימודי הישרדות, הקפד להשתמש בטכניקה סטרילית מתאימה; מיקום קטטר IP הפגינו וידאו של מאמר זה הוא מתאים רק שאינם הישרדות ניסויים.
  4. ערוך את כל ההכנות נוספים הנדרשים לצורך הניסוי גירוי עצבי. למיפוי של גירוי vibrissae של קליפת בתחום לחבית, במיקרוסקופ לנתח ומספריים microsurgical לחתוך vibrissae קרוב ככל האפשר אל פני העור ללא זקיק מעצבן או העור שמסביב.
  5. אולטרסאונד במקום ג'ל עלהקרקפת ולאחר מכן נמוך עמודת המים הכיל ידי יריעת פלסטיק דקה (למשל, 7.6 מיקרומטר האשפה שקית אשפה) על ראשו. להגיע דרך עם עמודת המים עם כותנה שקצהו ספוגית לדחוף את כל בועות האוויר, כי להילכד בתוך ג'ל אולטרסאונד. מקם את מתמר אולטראסאונד במרחק המוקד הטבעי (58 מ"מ) ישירות על המוח העכבר בעמודה של מים, לנקות את מתמר עם קצה האצבע כדי להסיר בועות אוויר שנלכדו.

4. הדם למוח מכשול פתיחה עם microbubbles וסאונד Ultra (BOMUS)

  1. תן זריקה intraperitoneal של פתרון מנגן במינון של ה-IP mmol / kg 0.5. כיסוי או קטטר intraperitoneal כך מנגן לא לזרום החוצה, ולחכות 10 דקות כדי לאפשר לו להפיץ (איור 1).
  2. כדי לפתוח את BBB, לנהל 30 μL של perflutren השומנים microspheres (DEFINITY מופעל) באמצעות קטטר וריד הזנב, ובמקביל, לפתוח את רצף הדופק אולטרסאונד. גontinue insonification במשך 3 דקות.

5. גירוי עצבי

  1. אפשר כ 40 דקות רמות המוח של Mn 2 + לייצב לפני תחילת גירוי עצבי. בדרך זו, שיפור דרמטי המחקר עקב Mn 2 + דיפוזיה פני BBB ניתן להבחין בין שיפור ההפרש עדין בשל גירוי. לאחר מכן, מתחיל גירוי עם הפרדיגמה של הבחירה שלך (איור 1).
  2. לגירוי vibrissae, כבה את isoflurane ולהסיר את חרטומו. להעביר מכחול אמן רך באופן ידני בתנועה סיבובית (1-5 הרץ) באמצעות מערך vibrissae במרחק של כ 2-5 מ"מ מהעור. המשך גירוי דקות 90. מנגן יש אפקט מרגיע המאפשר גירוי בלתי מרוסנת של בעלי חיים. אם בעל החיים הופך להיות חסר מנוחה, לנהל 5% isoflurane דרך קונוס האף למשך כ 15 שניות.

6. Magnetiג תהודה

  1. לאחר גירוי, לחדש את ההרדמה באמצעות חרטומו. המשך שמירה על טמפרטורת הגוף titrating רמת isoflurane לקצב הנשימה של 85-125-נשימות לדקה.
  2. מניחים את העכבר על סליל הדמיה MR ולהעביר למערכת MRI. לרכוש ברזולוציה גבוהה 3D T 1 משוקלל תמונות MR. לדוגמה, השתמש שיפוע מפונק 3D נזכר הד (SPGR) ברצף עם הפרמטרים הבאים: זמן החזרה של 25 מילישניות, זמן הד 2 ms, זווית של 30 מעלות השני של המטבע, רוחב פס של 15.63 קילוהרץ, שדה הראיה של 20 × 20 × 12 מ"מ; מטריצה ​​של 128 × 128 × 60.

7. ניתוח תמונה

  1. ניתוח התמונה הוא ספציפי הפרדיגמה גירוי בשימוש. לצורך ניסוי גירוי vibrissae (איור 2), לייבא את התמונות מבעלי חיים שונים לסביבה ניתוח מתאים. אם בעלי חיים מסוימים היו מגורה בצד ימין, בעוד שאחרים היו מגורה בצד שמאל, פלורידהIP מסוימת, כך שכל התמונות בצורה יעילה "משמאל מגורה." לאחר מכן, כדי להשוות את הצד של המוח מגורה כל הצד הנגדי שלה unstimulated, צור כפולות שיקוף משמאל unstimulated סט התמונה נוצרת. לרשום את כל התמונות על משטח משותף, ואז להחליק אותם עם 3 × 3 × 3 הקרנל פיקסל גאוס.
  2. לייצא את הנתונים לסביבה ניתוח מתמטי, כגון MATLAB. לחלופין, מסיכת האנטומיה רלוונטי מערכי נתונים של. עוצמת-לנרמל את התמונות בשיטת איטרטיבי של Venot et al. 17,18.
  3. השתמש, יחד חד זנב מבחן t להשוואת voxel כל הצדדים של המוח מגורה כל voxel הנגדי המתאים על הצדדים unstimulated של המוח כל אחד.
  4. להציג את המפה כתוצאה p-value לזהות אזורים של פעילות ההפרש (איור 3).

8. נציג תוצאות

השיטה המוצגת כאן יש 2 קרן צעדים amental: (1) פתיחה BBB עם microbubbles ו אולטרסאונד (BOMUS) ו (2) הפעלת-induced מנגן משופרת MRI (AIM MRI). כי הצעד האחרון תלוי לשעבר, חשוב לוודא BOMUS יישום מוצלח.

שיבוש של מחסום דם מוח לאחר מתן 1-T קיצור חומר ניגוד (כגון מנגן או סוכן גדוליניום מבוסס) גורמת לעלייה של האות ב parenchyma המוח על T 1-משוקלל הדמיה בהשוואה המוח שבו BOMUS לא בוצעה (איור 4). חלוקת שיפור זה מנגן אינה אחידה לחלוטין, אם כי הוא עקבי למדי בין בעלי חיים. חלוקת משקף לא הומגניות רק פתיחת BBB, אבל גם היא הפצה מהותי לא אחידה של Mn בתוך המוח 19. הדינמיקה במרחב ובזמן של פתיחת BBB תוארו עוד קודם לכן 12.

אף אוזן גרון "> לאחר BOMUS יושמה בהצלחה, השלב הבא הוא לבצע AIM MRI פרדיגמות ניסויים רבים אפשריים:.. עם זאת, כי יש בלבול פוטנציאליים רבים, הפקדים וניתוח חייב להיות מתוכנן בקפידה תופעות בלבול כוללים הומוגניות פתיחת BBB, הצטברות הומוגניות של Mn במוח, הדינמיקה הזמני של דיפוזיה MN, ואת הפעילות העצבית ספציפי. בהפגנה זו, בתגובה לגירוי עצבי חד צדדי של vibrissae היה ממופה. כדי להסביר את inhomogeneities ו Mn השטף, הצד unstimulated של המוח בכל שימש שליטה פנימי. כדי להסביר את הפעילות העצבית ספציפי שעשוי להשתנות בין בעלי חיים, ניתוח סטטיסטי המשמש בדיקות כדי לזהות אזורים שהיו שונים באופן עקבי בין בעלי חיים (איור 2). התוצאות היו מפה תלת מימדי ההבדל תלת מימדי p-value המפה (איור 3), הצד הימני של אשר הצביעו על אזוריםהאות גבוה הנגדי כדי vibrissae מגורה. הצד השמאלי של המפה ציין אילו אזורים היה האות גבוה משמעותית ipsilateral כדי vibrissae מגורה. מפת p-value זיהו אזור רחב של אות גבוה הנגדי כדי vibrissae מגורה אשר תואם את השדה קנה בקליפה המוטורית הראשונית, אשר בתגובה לגירוי vibrissae תועדה באופן נרחב על ידי electrophysiology 20,21 ו 2-deoxyglucose מחקרים. דיון מלא יותר של תוצאות אלה פורסמו בעבר 13.

איור 1
באיור 1. פרוטוקול ציר הזמן עבור הדמייה תפקודית עם BOMUS והמטרה MRI (מעובד מתוך Howles et al. 13).

איור 2
2. איור ניתוח תוכנית לזיהוי אזורים OF בעוצמה שונה בין הצדדים מגורה unstimulated של המוח כל אחד. כדי להשוות את הצד של המוח מגורה כל הצד הנגדי שלה unstimulated, כפולות שיקוף משמאל unstimulated סט התמונה נוצרת. תמונות אלו רשומות, מסונן מנורמל. לבסוף, מבחן משווה את התמונות שמאל מגורה משמאל unstimulated. מבחן t הוא "יחד", כך שהצד של המוח מגורה כל מושווה רק לצד unstimulated של המוח זהה. מבחן t הוא "חד זנב", כך שצד אחד של המפה p-value מציין האות גבוה משמעותית בצד גירוי של המוח, בעוד הצד השני של המפה p-value מציין האות גבוה משמעותית בצד unstimulated של המוח (מעובד מתוך Howles et al. 13).

איור 3
איור 3. תוצאות ניתוח משולב של 7 חיות בשני תפקידים שונים צירית. T הוא טור 1 מראה את הממוצע של כל התמונות רשומים מסודרים, כך למעשה כל העכברים היו vibrissae שמאל מגורה. את התמונות האלה הם כיסו עם מפה בצבע המציין את אחוז הגידול הממוצע של האות ב היחסי בכל voxel בחצי הכדור הנגדי, כפי שצוין על ידי בר צבע. אזורים צבעוניים בצד ימין של התמונה להראות היכן בחצי הכדור הנגדי לגירוי היה האות גבוה יותר. אזורים צבעוניים בצד שמאל של התמונה להראות היכן בחצי הכדור ipsilateral לגירוי היה האות גבוה יותר. עמודה 2 מציגה את אותן התמונות ועליהן מפת p-value המציין את המובהקות הסטטיסטית של עליית האות. טור 3 מראה את אותה מפה p-value מעולף על הדמויות המתאימות stereotaxic Paxinos אטלס 16 עם השדות חבית של בקליפה המוטורית מוצל (מעובד מתוך Howles et al. 13).

/ 4055/4055fig4.jpg "/>
איור 4. הפריסה המרחבית של Mn 2 + במוח. התמונות נרכשו 170 דק 'אחרי 0.5 מילימול / ק"ג IP MnCl 2 מ BOMUS, טיפול (n = 5) ובקרה (n = 4) בעכברים. לאחר נורמליזציה, כלומר ומפות סטיית תקן חושבו (פאנל משמאל). שיפור היה גבוה יותר ב BOMUS שטופלו עכברים. למרות שיפור זה לא הייתה אחידה על פני המוח, זה היה עקבי למדי, למעט ליד הקצוות של המוח החדרים. באמצעות אזורים של עניין (ROIs) נמשך סביב מבנים שונים, יחס אות לרעש ממוצע (1 + SD) חושבה על פני כל קבוצה (פאנל מימין). BOMUS שטופלו בבעלי חיים הראו יחס אות לרעש גדול יותר אך גם שונות גדולה יותר בין מבנים ובין בעלי חיים (מעובד מתוך Howles et al. 13).

איור 5
איור 5. כדי לבחון את ההשפעות של רקמות BOMUS, המוח של עכברים שטופלו BOMUS תוקנו, sectioned ב 500 - מרווחי מיקרומטר, ו מוכתם hematoxylin ו eosin. מספר ממוצע של תאים אדומים בדם extravasations לראות כל חלק של המוח מוצג על הלחצים אקוסטיים של 0.36 מגפ"ס (n = 3), 0.52 מגפ"ס (n = 4), 5.0 מגפ"ס (n = 1). ברים שגיאה להראות שגיאה סטנדרטי. לוח 2 מציג דוגמה חמורה extravasation תא דם אדום מהמוח נחשף 5.0 מגפ"ס (מעובד מתוך Howles et al. 12).

איור 6
איור 6. בדיקות התנהגותיות כמותי שימש להערכת פעילות, עוררות, ואת ההיענות לפני ההרדמה, ו 3 ו -24 שעות לאחר ההתאוששות מן ההרדמה. שיטת הניקוד, תיאר בעבר 12, התבסס על הערכה מבוססת העכבר כמותית התנהגותי לפתחאד על ידי אירווין ב -1968 22. התנהגות הממוצע (± SEM) ציון עבור (n = 3) ו BOMUS (0.36 מגפ"ס) טיפול (n = 8) בעלי חיים מוצג. ביחס לקו הבסיס טרום הרדמה, כל בעלי החיים מצביעים על ירידה בציון התנהגות 3 שעות אחרי הרדמה, אבל הם בעיקר להתאושש ביום הבא. בכל נקודת זמן, נראה הבדל בין שתי הקבוצות, המציין כי BOMUS לא מדידה משפיעה על התנהגות בעלי חיים (מעובד מתוך Howles et al. 12).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

כאן, השיטה שהוצגה על noninvasively פתיחת BBB בכל רחבי המוח העכבר שלם עם אולטרסאונד microbubbles (BOMUS). עם פתוח BBB, Mn 2 + היה מנוהל והפעלה הנגרמת מנגן משופרת MRI (AIM MRI) שימש בתגובה לגירוי עצבי התמונה קצר משך עכברים מסוממים קלות.

הפתיחה מספקת BBB הושג בלחץ שיא שלילי אקוסטית של 0.36 מגפ"ס. שים לב, זה הלחץ על פני הקרקפת במרכז אלומת אולטרה סאונד. מדידות של פרופיל קרן מתמר של יחיד אלמנט עולה כי לחץ אקוסטיות בקצה הקורה הוא רק 0.12 מגפ"ס. לאחר מכן, הנחתה את הגולגולת מפחית את הלחץ להגיע למוח על ידי 25% מוערך (derating מבוסס על צ'וי et al. 23 ומותאמים תדר). זה מצביע על כך שיבוש BBB התרחשה בשיא שלילי לחצים אקוסטיים של 0.09 מגפ"ס (במרכז הקורה שלנו) כדי מגפ"ס 0.03 (בקצה). לחצים אלה נמוך יותר מאשר הרמות (בדרך כלל 0.4-0.5 מגפ"ס) דיווחו במקום אחר 24. זה סף הלחץ מופחת יכול להיות בגלל מינון גבוה יותר של שומנים בדם microbubbles המשמשים בעבודה זו (כ 1.2 מ"ל / ק"ג) בהשוואה לאחרים. בעוד מנה של microbubbles המשמשים היתה גבוהה יותר מאשר המינון המומלץ האדם אבחון (10 μL / ק"ג), השפעות שליליות שלא נצפו.

כפי שצוין כאן, הטכניקה BOMUS הוא פולשני והפיך, עם זאת, יש לו את הפוטנציאל לגרום נזק. בעבודה הקודמת 12, העכברים שטופלו BOMUS הוערכו על הנזק היסטולוגית (איור 5) ושינויים התנהגותיים (איור 6). שיא שלילי לחצים אקוסטיים של 0.36 מגפ"ס היו קשורים עם תופעות שליליות שנצפו (איור 6). עם זאת, 0.52-MPa BOMUS היו קשורים עם מספר קטן של intracerebral extravasations תאים דם אדומים משנה של בעלי החיים (

בדיוק כמו טכניקת BOMUS הוא שעלול להזיק, מנגן גם ידוע רעילות 25. Mn 2 + הוא ידוע כבעל השפעות רעילות על צומת neuromuscular 26 ומערכת העצבים 27. רעילות זו אחראית כנראה על ישנוניות של עכברים לאחר מתן, אם כי מנגנון השפעה זו אינו ידוע. במשך כ -60 דקות הראשונות של גירוי, העכבר נשאר רדום מעט, אך עדיין מגיב לגירויים מכאיבים כמו קורט הבוהן. זה מאפשר העכבר לסבול את הגירוי ללא צורך ריסון פיזי. מניסיוננו, ישנוניות זו מספקת כ 60 דקות לאחר מכן בעל החיים יכול להיות חסר מנוחה. ריסון כימי נוסף ניתןchieved לפי הצורך עם כ 15 שניות של 5% isoflurane דרך nosecone. בהפגנה זו, ישנוניות הקל גירוי של vibrissae, אך היא עשויה גם צמצמו את התגובה העצבית בקליפת לחבית.

בנוסף לניהול פשוט Mn 2 +, טכניקה BOMUS ניתן להשתמש כדי לנהל את העולם סוכני אבחון או טיפול נוספים. בעבודה מוקדמת, BOMUS נעשה שימוש כדי לנהל את ה-DTPA, חומר ניגוד MRI, אל המוח. 12 עם זאת, שאלות רבות נותרו על אופיו של חדירות BBB להשיג עם BOMUS. ראשית, לא ברור מה גודל סוכני מסוגלים לחצות את BBB לאחר BOMUS. שניהם Mn 2 + ו - ה ', DTPA (500 דה) הם מולקולות קטנות יחסית. שנית, לא ברור עד כמה חדירות של BBB משתנה על המוח. שלישית, לא ברור אם פתיחת BBB היא תופעת בינארית יחסית, או אם הפרמטרים הפתיחה מסוימים יכול להשפיע על גודל או שיעור של חומרחלחול. למרות השם, DTPA מופץ באופן שווה למדי דרך המוח במחקר הנ"ל, הוא עשוי להיות קטן מדי diffusible גם לחשוף את כל ההבדלים חדירות.

על אף חוסר הוודאות לגבי BOMUS, השיטה היא ניהול יעיל במהירות Mn 2 + לצורך AIM-MRI. AIM-MRI נעשה שימוש בעכברים למפות בתגובה לגירוי עצבי (1-2 ימים) לטווח ארוך בעכברים 28-30, אבל עם גישה חדשה זו, בטווח הקצר ניסויים גירוי כעת אפשרי. בעבר, ניהול מהיר של Mn 2 + היה אפשרי רק עם הפרעה BBB האוסמוטי באמצעות עירוי intracarotid של מניטול hypertonic. גישה זו היתה מעשית רק אצל חולדות ומודלים של בעלי חיים גדולים יותר, אבל גם אצל חולדות, המחקרים הללו היו מוגבלים על ידי הפולשנות ואת חד צדדיות של הטכניקה. בגלל BOMUS ניתן לבצע noninvasively, גירוי ער מחקרים ארוכי טווח צריך עכשיו להיות אפשרי. יתר על כן, becaלהשתמש Mn 2 + יכול להינתן לשני אונות המוח, מגוון רחב יותר של פרדיגמות גירוי אפשרי. בהפגנה לעיל, הממשל דו Mn 2 + מותר בחצי הכדור unstimulated לשמש בקרה פנימית, כך בתגובה לגירוי עצבי שאינו ספציפי ברקע ניתן היה להפריד בין התגובה לגירוי vibrissae חד צדדית.

בנוסף שליטה לגירוי הלא ספציפית רקע, בחצי הכדור unstimulated גם שימש כדי לשלוט על אחידות ועקביות של הממשל מנגן. כפי שניתן לראות מנגן מאובטחים ניסויים אחרים ה-MRI 19, הנתונים הפצה (איור 4) עולה כי הטכניקה BOMUS אינו מספק שיפור הומוגנית של המוח. כך, ללא בקרות מתאימות (חיות בקרת או חצי כדור הארץ unstimulated), אזורים עם שיפור המחקר גבוה יותר קשה להבחין בין אזורים אשר eleהאות vated בשל הפעילות העצבית.

למרות ההתחלה Mn 2 + שיפור לא הומוגנית, דפוס עקבי למדי בקרב אנשים. עם זאת, שינויים קלים שיפור זה הבסיס יכול לטשטש את האות AIM-MRI. בהפגנה זו, אנו לטפל בבעיה זו על ידי פוטנציאל ממוצע של אות AIM-MRI על בעלי חיים שונים. לחלופין, הבדלים שיפור המחקר היה שום הסבר באמצעות רכישת מראש גירוי תמונות.

השיטה המוצגת כאן מחייבת התמונה משמעותית ניתוח סטטיסטי, אשר בתורו, דורש באיכות גבוהה אחת התמונה. כמובן, אחת כזו היא בעלת משמעות רק אם נתוני המקור הם רכשו עם רזולוציה (בכל שלושת המימדים), כי הוא מספיק עדין יותר את המבנים של עניין. בהפגנה זו, תמונות 3D נרכשו עם ווקסלים איזוטרופיים כמעט כ 160 מיקרון בכל ממד, אשר אפשרו מעולהאנטומית אחת. עם זאת, אחת התמונה עלולה להגביל את הרזולוציה המרחבית של שיטה זו, misregistration קלה ממוצע מתוך אזורים שיכלו לקחת קטנות מאוד של שיפור. נורות המוח הקטן ואת חוש הריח יכול להיות קשה במיוחד כדי להירשם, כי יש להם שיפור שכבות דק, ולעתים קרובות מתוך תיאום עם המוח.

כאן, הצגנו שיטה למיפוי התגובה העצבית ל קצר משך גירויים בעכברים ערים. אם כי לא פשוטה, השיטה היא מעשית יחסית נגיש. זה דיון מפורט המגבלות ולדקויות צריך בתקווה לאפשר לקורא ליישם את הטכניקה לשאלות הניסוי שלהם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגוד עניינים הצהיר.

Acknowledgments

כל העבודה בוצעה במרכז הדוכס עבור במיקרוסקופ vivo, NIH / NIBIB לאומית ביו טכנולוגיה מרכז (P41 EB015897) ו NCI חיים קטן Imaging Resource התוכנית (U24 CA092656). תמיכה נוספת נמסר מ-NSF מחקר לתואר שני אחוות (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