تصوير الأعصاب وظيفية عن طريق الموجات فوق الصوتية تعطيل حاجز الدم في الدماغ والتصوير بالرنين المغناطيسي المنغنيز معززة لل
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.
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 1، 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
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 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 |
References
- 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).
