הדמייה תפקודית באמצעות שיבוש Ultrasonic הדם למוח הגדר מנגן משופרת MRI
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.
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
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 הו?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 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).
