利用双光子显微镜的艾滋病毒引起的神经炎症的小鼠模型脑血管结构的量化

Neuroscience

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Nishimura, C., Polesskaya, O., Dewhurst, S., Silva, J. N. Quantification of Cerebral Vascular Architecture using Two-photon Microscopy in a Mouse Model of HIV-induced Neuroinflammation. J. Vis. Exp. (107), e53582, doi:10.3791/53582 (2016).

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Abstract

Introduction

在病毒感染的急性期的人类免疫缺陷病毒-1(HIV-1)的侵入脑,和生产性感染都小胶质细胞和脑定居巨噬细胞,导致它们的活化 - 并且两个来自宿主的炎症介质和可溶性HIV-1的释放virotoxins如Tat和gp120的( 1,2-综述)。因此,慢性神经炎状态成为中枢神经系统,这被认为是有助于HIV-1相关的神经认知障碍(手),3-5的发病机制建立。

HIV-1的Tat或小鼠的中枢神经系统内白细胞介素(IL)-17A的慢性过度表达已被证明导致微血管稀疏6,7。这就提出了慢性神经炎症可以通过对脑血管的影响造成的手发病的可能性。为了进一步探讨这个问题,我们已经制定的方法来量化脑血管STRUCTures的。

本文介绍的方法用于定量毛细管节点,毛细管段的数量,平均段长度,总段长度,平均毛细管直径,并通过一薄的颅骨皮质窗口使用毛细管网络的体内显像总毛细管体积(从先前描述的改性协议)8,9,以及离体成像的脑切片中,使用双光子显微镜。这种组合方法提供用于脑血管的参数的整体定量,由于体内薄颅骨皮质窗口允许大脑保护环境,同时毛细管网络在脑切片的离体成像能够重建完整,立体毛细管网络 - 然后可以使用市售软件定量。

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Protocol

罗切斯特大学委员会的动物资源学院批准在本文中进行的所有程序。

1.术前准备(和鼠标)

  1. 所有必需的设备准备手术区。消毒预先用70%的乙醇的过程​​中使用的所有工具。或者,使用玻璃珠灭菌或高压灭菌消毒的工具。
  2. 鼠标放置在异氟醚感应室,连接到一个异氟烷蒸发器。以1升/分钟的速率设置异氟烷水平至4%。
    注意:用强力霉素(DOX)诱导的HIV-1的Tat转基因的星形胶质细胞特异性胶质纤维蛋白(GFAP)启动子(HIV TAT-Tg小鼠)驱动此报告的实验中,小鼠10被用来检测艾滋病病毒的效果-1诱导的神经炎症对脑血管结构,如前所述7,10。
  3. 轻轻倾斜感应室,观察鼠标#39; S翻正反射。一旦正位反射被抑制,异氟醚级别设置为2%和重定向从感应腔室到鼻锥的气流在手术台上。
  4. 快速地从感应室向水注入加热垫移动鼠标。继续通过鼻锥申请异氟烷(1.5-2%)。根据个人老鼠容忍通过呼吸频率(RR)的监测评估,调整麻醉。
    注:RR的抑郁症可能扰乱生理气体参数改变脑血流量和血管直径评估。试图保持每分钟55-65次呼吸之间RR。心脏速率(HR)也可以用于评估麻醉深度;让HR每分钟300-450次之间,以防止生理改变血管直径。通常情况下,麻醉就足够了1.5-2.0%异氟烷之间以1L /分钟的一个给定的鼠标。
  5. 执行脚趾捏进一步检查麻醉深度。如果鼠标不响应,通讯ENCE的外科手术。

2.制备薄头骨颅窗口

  1. 应用人工泪液凝胶鼠标的眼睛。从用剪刀或电动剃须刀鼠标的头皮完全除去毛发。
  2. 消毒头皮通过施加碘伏溶液;晾干。然后,在光学显微镜下,从小鼠的头皮去除皮肤,完全露出顶骨,尾椎额骨和前囟标记。
  3. 为了干燥膜,便于拆卸应用少量的10%的氯化铁溶液到颅骨。与#四十五分之五镊子轻轻刮了头骨中取出干燥的膜。
  4. 围绕磁头板窗口涂抹一层薄薄的胶水。轻轻按压鼠标的头骨磁头板,保持感兴趣的区域,在窗口的中心。申请一滴牙科用粘固剂的给磁头板以聚合胶。
  5. 涂抹薄薄的一层沿磁头板窗口的边缘胶以创建在其中容纳盐水的贮存器。一旦胶水已干,拧磁头板插入鼠标磁头板线束。
    注意:在此过程中使用的鼠标磁头板线束是与金属基体和两个金属柱的结构。在每列有一个弹簧和一个蝶形螺母。的磁头板被放置在弹簧的顶部,并蝶形螺母被拧紧,直到头部是水平和不移动。
  6. 从使用连接到微扭矩钻头设定在6000转钻头的磁头板窗口除去任何胶。停止每10-15秒,以防止小鼠头盖骨的过热,可能导致对血管结构损坏。
    1. 使用新的钻头,横向放置微扭矩钻头1.5毫米从中线(三分之一磁头板窗口的直径)。开始薄这个位置周围的头骨在4000转。将钻头轻轻划过头骨没有直接的下行压力。
    2. 停火DRIL林志玲每隔10-15秒,以防止过热老鼠头盖骨。在此期间,利用压缩空气罐除去积累颅骨灰尘。
    3. 使用RT生理盐水滴冷却头盖骨5-10秒。轻轻地取出所有流体用柔软的纸巾,继续颅骨变薄。
  7. 对于头骨的最终变薄,放置一个小体积的盐水中的磁头板容器和轻轻扫过牙齿microblade在感兴趣的区域,直到小血管都清晰可见。

3.监测生理指标

  1. 一旦颅骨完全减薄,从保持器拆下小鼠,并将其放置在它的后面。轻轻大盘回落两个后腿清楚地暴露大腿内侧。
  2. 取下发过来两个大腿内侧,用剪刀或电动剃须刀。由覆盖用碘伏大腿消毒手术部位。
  3. 捏紧内侧右大腿上方的股静脉皮肤并采用动脉#5镊子。轻轻拉动皮肤向上,用剪刀剪下,并去除皮肤。
    注:左大腿被保留在手术并发症(血管畸形,血管破裂)的事件。
  4. 应用约3-5滴0.9%的盐水,以外科手术部位。这允许更大的放大血管,以及血管的保持湿润的部位,并防止干燥。通过解剖直言将用两个#四十五分之五镊子股神经血管束分离动脉股静脉。
  5. 放置两个,3厘米的片手术用缝合线的股动脉大约1cm相距下方。扭曲的缝线上顺时针创建血管止血带,这将有助于防止导管手术中失血过多。
  6. 做一个小切口,用弹簧剪刀股动脉。放置导管中通过切口和预先动脉直到导管是牢固的动脉内。
  7. 注入10微升肝素(100IU / ml)的通过导管,以防止血液凝固。然后,通过用4-0缝合线在一个简单的断续图案一起缝制皮肤手术关闭右大腿。
  8. 注入50μl的尿烷(1.2毫克/克)腹腔内插入右下腹。五分钟后用另一个将50μl注射到左下腹,共100微升腹腔氨酯重复。慢慢降低的异氟烷水平至约0.25%,而伴随地重新检查小鼠麻醉的深度。
    注意:使针浅沿后腹壁腹膜腔中,以使得它不穿孔肠道。这可以通过捏腹部腹直肌万亩完成scles远离内脏,然后注入。
  9. 使用毛细管,收集动脉血从导管40微升样品。附加导管配备有生理盐水填充四通活栓和肝素灌封注射器的血压传感器。
  10. 用胶带将血压换能器到手术装置,以防止意外取出导管。开始监视平均动脉压。
  11. 插入血液填充毛细管成血液气体分析仪入口。一旦所有的血液已经被提取,从入口移除毛细管。在O 2和CO 2血气水平将出现在从血气分析仪打印纸。

4.注射荧光染料

  1. 捏上使用#5镊子内侧左大腿皮肤。轻轻拉动皮肤向上,用剪刀剪下,并去除皮肤。准备葡聚糖结合红色荧光染料罗丹明(70 kDa)的(10毫克/千克溶解在盐水中)。
  2. 定位股骨vein.Using 1ml注射器附有一个地下30针,得出适当的用于成像到注射器的130微升线荧光染料的预先制备溶液。通过染料完全拉入注射器,坚决轻弹注射器墙上拔下所有气泡。
    1. 弯曲的地下30针在通过按下它来对一个硬表面斜角朝上的大约30度角。填补了染料的针并丢弃任何剩余液体,留下了100微升样品。
  3. 染料的100微升样品注入慢慢进入股静脉。取出针后,应用稳定,轻轻压到注射部位,以制止任何出血。允许染料中循环5分钟。
    注意:可替换地,可以使用右股静脉,而不是用于荧光染料注射,以防止进一步失血通过创造另一种外科部位。此外,如果动物是从手术部位出血不受控制,这可能是一个表明太多肝素被给冲洗导管。如果在10-15分钟无凝结和鼠标还在流血,应考虑重新启动实验,一个新的鼠标。
  4. 关闭左大腿用4-0缝合线缝合在一起的皮肤,然后小心地翻转鼠标到它的肚子,然后将其放入鼠标磁头板线束。

5. 体内双光子成像

  1. 移动外科装置向双光子显微镜,确保连续保持麻醉的水平。放置一个小数量的0.9%盐水到磁头板容器和降低显微镜物镜,以便它进入与盐水接触。使用明收视目标定位感兴趣的领域
  2. 设置双光子激光激发到适当的荧光染料的波长。使用25XØ开始双光子成像BJECTIVE。
    注意,在这些实验中,我们使用的缀合红色发光罗丹明染料被激发在780nm的波长的葡聚糖。甲三十六分之六百○七带通发射滤光片从染料检测荧光,以及一个带通二十零分之四百八发射器被用来检测动脉自发荧光
  3. 找到一个毛细血管床查看屏幕上,并放大使用光学变焦2.采集利用双光子成像软件毛细血管的图像这一领域。
  4. 成像完成后,通过颈脱位随后断头牺牲鼠标。

6. 离体双光子成像

  1. 使用超等剪刀,使在头皮切口从interparietal骨骼鼠标的额骨。固定到皮肤用指针手指和拇指的头骨的侧面。
  2. 将多余的精剪内侧interparietal骨下方切颅骨沿矢状​​缝。停割头颅约3mm后的前囟门标记。
    注:切割颅骨,以防止切割时,大脑应用上行压力。
  3. 使用#5镊子,从大脑中分离颅骨和小心从大脑的表面去除任何脑膜。剩余的脑膜可无意中划破大脑;极端应注意避免这种情况。轻轻滑动大脑慢慢前进着下#5镊子,直到大脑不受头骨。
    注意:向下的压力,应使用以避免刺穿大脑。
  4. 将大脑中的特定对小鼠脑切片工具。通过施加人工脑脊液滴在大脑洗大脑。
  5. 从囟0除去大脑的2毫米冠状切面到前囟-2。放置冠状切面上含人工脑脊液与0前囟门凹陷载玻片(段大部分颅一部分)朝上。轻轻地覆盖在大脑SL冰,用玻璃盖玻片。
    注意:不要按一次放置在大脑部分,因为这可能会变形的血管结构的玻璃。
  6. 幻灯片转移到显微镜台上,放置一个小数量的0.9%盐水盖玻片上。降低显微镜物镜,直到它与盐水接触。定位使用明目标脑的中线。
  7. 开始双光子成像和定位中线使用25倍的目标了。通过寻找在冠状切面的皮质表面纵裂做到这一点。放置在中线成象屏幕的右边缘和移动查看器屏幕上横向3个完整的帧(约1.5毫米,从中线)。
    注意,在这些实验中,成像参数的那些相同,在步骤5.2中提到的音符。
  8. 找到深度处的毛细血管都认为屏幕上几乎看不到。降低焦点的附加20的平面微米来确定Z堆叠的顶部。
  9. 图像厚度设置为1微米。降低视图画面100微米,并调整激光功率在整个使得像素的小于1%的过饱和。
    注意:与z堆栈图像从一系列的连续100 500x500x1微米图像编译。所述的Z堆叠的更准确的后处理的计算会较大。通常,试图收集的z堆叠100微米或更大。
  10. XY重复图标其次是相邻的XY图标。一旦Z堆栈完成后,按系列完成图标,保存文件。

7.数据处理

  1. 在ImageJ的软件打开体内毛细血管的形象。手动设置基于从双光子软件获得的值的像素的距离的比率。
    1. 从工具菜单中的*直*图标。画从一个毛细血管壁延伸到OPPO线站点毛细血管壁,并记录由ImageJ的所提供的长度。
      需要注意的是,可能有必要对放大图像,以便清楚地显现毛细管壁的边缘。
    2. 在沿毛细管的不同位置重复步骤7.1.1,以及对多个毛细管的图像中。
  2. 打开Z堆栈文件到分析软件,如阿米拉。选择从子应用程序工具栏中的灯丝编辑器图标
    1. 观察者厚度观察者设定为约20移动到顶部或在z堆栈底部。
    2. 选择跟踪图标,将光标移到加载的图像。上的毛细管2C描述的位置处的节点;段将相邻节点之间自动出现。毛细血管跟踪整个Z堆栈。
      注意:这将是必要把节点端点和分支点之间,以便跟踪毛细管THRoughout的z栈。
    3. 要删除这些节点,点击删除中间的图标。
      注意:此可以创建必须手动通过使用选择图标选择循环,然后选择移除选定图标被移除错误环段。如果环路继续跟踪期间出现在同一地区,它是可能的节点被放置在不同的毛细管。
    4. 一旦跟踪完成后, 选择图形信息图标可打开包含自动提取血管参数的电子表格。可用的主视图屏幕上节点和段的数量。

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Representative Results

薄颅骨皮质窗口允许用于体内双光子皮质毛细血管成像( 图1)。合适的区域,图像显示众多的,不同的毛细血管( 图1A)。在同一视场,不存在动脉细胞壁自发荧光,以及可能还有其他的荧光信号,如胶原荧光,诱发二次谐波生成11(图1B)。

一旦脑切片的准备已完成,摄像区域约1.5mm处中线位于2A)。甲100μm的Z堆叠产生用于分析在阿米拉分析软件图2B)的三维图像。毛细血管网,然后通过手动放置节点在开始和毛细管的端部,或者任何位置,一个毛细b被曝牧场到另一个图2C)。这将产生一个完全镂空图像从其中形态学参数被自动萃取( 图2D)。毛细管节点,段的数量,平均段长度,总段长度,和总体积的毛细管可以使用的小鼠的脑切片的双光子离体成像被提取图2)。

图3示出了使用本文提出的方法获得的代表性结果。在该实验中,艾滋病毒神经炎症的转基因小鼠模型,使用10。生产艾滋病virotoxin Tat的诱导在康达+小鼠由强力霉素,注入食品12周。对照组由TAT-同窝喂食同样的食物。有任何测量的毛细管参数达+和TAT-小鼠之间无统计学差异显著。因此,12周暴露大脑的那朵起诉对HIV-1的Tat不足以引起脑微血管稀疏。与此相反,我们此前公布的数据显示,更多的长期(20周)的康达结果慢性中枢神经系统表达的脑血管7疏松。因此,此处提供的数据图3)提供了在问候的康达诱导的血管重塑的小鼠的中枢神经系统内的动力学的有价值的新的信息。

图1
图1.采集皮质毛细管直径:(A) 按照一个薄颅骨皮质窗口制备和静脉荧光染料注射,双光子显微镜被用于图像脑血管。在我们的实验中,我们使用缀合到红色发光罗丹明染料被激发在780nm的葡聚糖和荧光通过一个带通三十六分之六百零七发射滤波器可视化。 11。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2.代镂空毛细管网络的:(A)对小鼠进行静脉内注射一种荧光染料和处死。脑的2毫米冠状部分取前囟0和囟-2之间,并在从中线0前囟大约1.5毫米,进行成像。一个 示从C57BL / 6小鼠选择用于​​成像(黑盒子)皮质位置的代表图像。这个区域,索姆atosensory皮质,被选中,是因为我们先前已经显示脑血液失调可出现在康达+小鼠12的网站。(B)的毛细管网络的表征三维Z堆叠图像。该方法的(C)的示意图用于手动跟踪中船量化毛细血管。(D)镂空Z堆栈图像的形象代表。 请点击此处查看该图的放大版本。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3.定量的TAT-小鼠脑血管结构与暴露于HIV的候选达virotoxin FO小鼠R 12周,小鼠用强力霉素(DOX)诱导的HIV-1的Tat转基因的星形胶质细胞特异性胶质纤维蛋白(GFAP)启动子(HIV TAT-Tg小鼠)驱动被用来研究对HIV-1引起的神经炎症的作用脑血管结构,如上所述7。这些小鼠(达+中,n = 3)暴露于达诱导的慢性(12周)的方案即12周的DOX)。 TAT-小鼠(n = 4)用作年龄匹配的对照(这些小鼠对应的Tat +小鼠的非转基因同窝,并且因此不表达的HIV-1的Tat)。像达+小鼠中,TAT-老鼠也获得12周DOX暴露。在暴露于达12周(达+)的小鼠中,与那些未暴露于达(TAT-),有在节点(A)的数量没有统计学显著差异,段的数目(B),平均段长度(C)中,或总毛细管长度(D)中 ,毛细管直径(为达安+小鼠中,我们分析了14毛细血管6成像领域;为TAT-小鼠,我们分析了7毛细血管4摄像区域)(E),或总毛细管体积(F)。由于数据不是正态分布(由夏皮罗-威尔克试验确定),确切的Wilcoxon秩和检验来计算统计学意义(在这种情况下,确定为P <0.05)。 请点击此处查看大图这个数字。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

此处所描述的方法可用于分析脑微血管结构在大范围的实验模型/设置。对于这种方法的成功,有三个关键步骤,必须要掌握。首先,将薄颅骨窗不能损伤颅骨或底层大脑。这是很容易变薄时穿破头骨,或引起热诱导的血管渗漏。这可以通过摄像干扰作为荧光染料将泄漏到焦点的平面中,并掩盖了毛细血管。如果颅骨薄头骨制备过程中频频打破,它很可能是过大的下行压力造成的。握住微扭矩钻尽可能接近的毛刺允许更大的触摸控制,这将减少对头骨的下行压力。

第二,动脉插管应该尽可能快地,一旦动脉被切断发生。未能快速插入导管可导致失血过多,将COMPromise鼠标的生理完整性。难以插入导管通常是由于导管的相对大的尺寸相比股动脉。可能有必要以拉伸导管以减小其直径。此外,#5钳提示可用于抓住并放大在动脉,以缓解在放置导管的所作的开口。

第三, 体内的外科手术的持续时间应该被最小化,使得氨基甲酸酯麻醉,可尽快给药。在异氟烷麻醉可引起的脑血管13的血管舒张,从而倾斜毛细管直径的数据。

应该承认,阿米拉分析软件可以自动提取的手动追踪船只的半径;但是,使用此功能来分析从体外大脑Z堆栈图像时,该值是不准确的。这是因为,自动对焦之三除去脑,脑毛细血管不再加压,并可能成为形态变形。 体内毛细血管直径测量规避这个问题,因为毛细血管都在正常生理条件下加压。

还必须注意的是,这种方法也不是没有局限性。首先,显著培养掌握体内成像制剂是必需的。研究者必须学会有效地执行两项技术挑战性的技术(薄的头骨皮层的窗口和动脉插管);在任一技术的错误会损害实验和数据无效。其次, 离体的z叠层的分析是时间密集型的。一个Z堆叠图像的骨架可长达2.5小时。此外,最好是,这种分析由有经验研究者完成,以确保骨架过程的稠度(这涉及仔细的手工TR血管acing)。

一旦该协议的所有方面都掌握了,得到的数据提供比较的更深入和血管生理参数的准确定量到显示毛细血管密度为每单位体积的毛细血管,或每视野毛细血管等传统使用的方法。 体内成像技术允许的其他参数的研究,包括,但不限于,红细胞流速,动脉扩张和红细胞磁通7,12,其也能够在纵向研究要被检查。此外,它可以很容易地调整和修改,以研究有关脑微血管结构研究的问题。这些研究可能包括定量毛细管形态在其他神经认知疾病的致病性的变化,或测量毛细血管密度与年龄有关的变化。因此,本文提出的方法是一个灵活和强大的工具的quantitat脑血管架构的香港专业教育学院的分析。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Leica Microscope Leica Inc. MZ8
High Intensity Illuminator Dolan-Jenner 180
Heating Pad Stryker  TP3E
T/PUMP Gaymar Industries, Inc. TP-500
TEC-4 Isoflurane Vaporizer Datex Ohmeda 447
Artificial Tear Gel Butler AHS 7312
Povidone-Iodine solution  Aplicare 52380-1855-9
Extra Fine Bonn Scissors Fine Science Tools 14084-08
Dumot #5 Forceps Fine Science Tools 11295-10
Dumont #5/45 Forceps Fine Science Tools 11251-35
Ferric Chloride Solution Ricca Chemical Company 3120-16
Loctite 454 Prism Instant Adhesive Gel Henkel 45404
Dental Cement Stoelting 51459
Microtoruqe II Handpiece Kit Pearson Dental R14-0002
005 Burr for Micro Drill Fine Science Tools 19007-05
Norland Blade (Dental Microblade) Salvin Dental 6900
Urethane Sigma-Aldrich U2500 Group 2B Carcinogen
Braided Suture Ethicon 735G
Vannas Spring Scissors Fine Science Tools 15000-03
 Arterial Catheter SAI Infusion Technologies MAC-01 The end of the catheter was manually stretched out in order to decrease its diameter. 
Blood Pressure Moniter World Precision Intruments SYS-BP1
Blood Pressure Transducer and Cable World Precision Intruments BLPR2
RAPIDLab Blood Gas Analyzer  Siemens  248
40 μl Capillary Tube VWR 15401-413
Texas Red-dextran (70,000 MW, 10 mg/kg dissolved in saline) Invitrogen D-1830
Adult Mouse Brain Slicer Matrix Zivic Instruments BSMAS001-1
Olympus Fluoview 1000 AOM-MPM Multiphoton Microscope Olypmus FV-1000 MPE
MaiTai HP DeepSee Ti:Sa laser Spectra-Physics
ImageJ Software National Institutes of Health (NIH) Available at http://rsb.info.nih.gov/ij/download.html
Amira Software Visage Imaging 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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