Functionele neuroimaging Met behulp van ultrasone bloed-hersen barrière verstoring en mangaan-enhanced MRI
Summary
Wordt een techniek beschreven voor het in grote lijnen het openen van de bloed-hersen barrière in de muis met behulp van microbellen en ultrageluid. Met deze techniek kan mangaan worden toegediend aan de hersenen van muizen. Omdat mangaan is een MRI-contrastmiddel dat zich ophoopt in gedepolariseerd neuronen, deze aanpak maakt beeldvorming van neuronale activiteit.
Abstract
Hoewel muizen zijn het dominante modelsysteem voor het bestuderen van de genetische en moleculaire onderbouwing van de neurowetenschappen, functionele neuroimaging bij muizen blijft technisch uitdagend. Een benadering, activatie geïnduceerde Mangaan-versterkte MRI (AIM MRI), is met succes gebruikt om de neuronale activiteit in knaagdieren 1-5 in kaart te brengen. In AIM MRI, Mn 2 + werkt een calcium-analoog en hoopt zich op in neuronen gedepolariseerd 6,7. Omdat Mn 2 + verkort de T 1 weefsel eigendom, zal de regio's van verhoogde neuronale activiteit versterken in MRI. Bovendien Mn 2 + gewist langzaam uit de geactiveerde gebieden en daarom stimulatie dan buiten de magneet voor beeldvorming, waardoor een grotere flexibiliteit experimentele. Echter, omdat Mn 2 + passeert niet gemakkelijk de bloed-hersen barrière (BBB), de noodzaak het openen van de BBB is het gebruik van AIM MRI beperkt, met name bij muizen.
Een tool voor het openen van de BBB is ULTrasound. Hoewel potentieel schadelijke, als echografie wordt toegediend in combinatie met gas gevulde microbolletjes (dat wil zeggen, ultrageluid contrastmiddelen), de akoestische druk die nodig is voor BBB opening is aanzienlijk lager. Deze combinatie van ultrageluid en microbolletjes worden gebruikt om betrouwbaar de BBB openen weefselschade zonder dat 8-11.
Hier wordt een methode gepresenteerd voor het uitvoeren van AIM MRI met behulp van microbellen en ultrageluid om de BBB te openen. Na een intraveneuze injectie van perflutren microbellen, wordt een ongericht gepulste ultrasoonbundel toegepast op de geschoren muis hoofd voor 3 minuten. Voor de eenvoud, verwijzen we naar deze techniek van BBB Opening met Microbelletjes en echografie als BOMUS 12. Met behulp van BOMUS om de BBB te openen in beide hersenhelften, is mangaan toegediend aan de hele hersenen van muizen. Na het experimentele stimulatie van de licht verdoofde muizen, wordt AIM MRI gebruikt om de neuronale respons in kaart te brengen.
Naartonen deze benadering worden hierin BOMUS en AIM MRI gebruikt om eenzijdige mechanische stimulatie van de vibrissae in licht verdoofd muizen 13 in kaart te brengen. Omdat BOMUS kan de BBB openen in beide halfronden, wordt de niet-gestimuleerde kant van de hersenen gebruikt om te bepalen voor het niet-specifieke achtergrond stimulatie. De resulterende 3D-activering kaart komt goed overeen met de gepubliceerde voorstellingen van de vibrissae regio's van het vat veld cortex 14. De ultrasone opening van de BBB is snel, niet-invasieve en reversibele, en dus deze aanpak geschikt is voor high-throughput en / of longitudinale studies in wakkere muizen.
Protocol
Discussion
Hier werd een methode gepresenteerd voor niet-invasief het openen van de BBB in de hele hersenen van muizen met ultrageluid en microbellen (BOMUS). Met de BBB open, Mn 2 + werd toegediend en activering-geïnduceerde mangaan-versterkte MRI (AIM MRI) werd gebruikt om de afbeelding neuronale respons op kortdurende stimulatie in licht verdoofde muizen.
Adequate BBB opening werd bereikt met een piek-negatieve akoestische druk van 0,36 MPa. Opmerking is dit de druk hoofdhuid oppervlak i…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Al het werk werd uitgevoerd bij de Hertog Centrum voor In Vivo Microscopy, een NIH / NIBIB nationale Biomedische Technologie Resource Center (P41 EB015897) en NCI Small Animal Imaging Resource Program (U24 CA092656). Aanvullende ondersteuning werd geleverd door NSF Graduate Research Fellowship (2003014921).
Materials
| Name of the reagent | 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 |
Riferimenti
- Aoki, I. Detection of the anoxic depolarization of focal ischemia using manganese-enhanced MRI. Magnet. Reson. Med. 50, 7-12 (2003).
- Aoki, I. Dynamic activity-induced manganese-dependent contrast magnetic resonance imaging. DAIM MRI). Magnet. Reson. Med. 48, 927-933 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Cross, D. J. Statistical mapping of functional olfactory connections of the rat brain in vivo. Neuroimage. 23, 1326-1335 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Irwin, S. Comprehensive observational assessment : A systematic quantitative procedure for assessing behavioral and physiologic state of mouse. Psychopharmacologia. 13, 222-257 (1968).
- 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).
- 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).
- 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).
- Meiri, U., Rahamimoff, R. Neuromuscular transmission – inhibition by manganese ions. Science. 176, 308 (1972).
- 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).
- Watanabe, T., Frahm, J., Michaelis, T. Manganese-enhanced MRI of the mouse auditory pathway. Magnet. Reson. Med. 60, 210-212 (2008).
- 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).
- Yu, X. Statistical mapping of sound-evoked activity in the mouse auditory midbrain using Mn-enhanced MRI. Neuroimage. 39, 223-230 (2008).
