Summary

Funktionel Neuroimaging Med Ultrasonic blod-hjerne barrieren forstyrrelser og mangan-forstærket MRI

Published: July 12, 2012
doi:

Summary

En teknik er beskrevet for bredt åbning af blod-hjerne-barrieren hos mus ved hjælp af mikrobobler og ultralyd. Anvendelse af denne teknik, kan mangan indgives til musehjerne. Fordi mangan er en MRI-kontrastmiddel, der ophobes i depolariserede neuroner, denne tilgang gør det muligt billeder af neuronal aktivitet.

Abstract

Selv mus er den dominerende model for at studere de genetiske og molekylære fundament for neurovidenskab, funktionel Neuroimaging i mus er stadig teknisk udfordrende. Én fremgangsmåde, aktiverings-induceret mangan-MRI (AIM MRI) er blevet anvendt med succes til at kortlægge neuronal aktivitet i gnavere 1-5. I AIM MRI, + Mn 2 virker som en calcium analog og akkumuleres i depolariserede neuroner 6,7. Fordi Mn 2 + forkorter T 1 vævet ejendom, vil regionerne i forhøjet neuronal aktivitet styrke i MRI. Endvidere Mn2 + fjerner langsomt fra aktiverede regioner, og derfor kan stimulation udføres uden magneten før billeddannelse, hvilket muliggør større eksperimentel fleksibilitet. Men fordi Mn2 +, ikke let krydser blod-hjerne-barrieren (BBB), behovet for at åbne BBB har begrænset anvendelsen af AIM MRI, især i mus.

Et redskab til at åbne BBB er ULTrasound. Selvom potentielt skadelig, hvis ultralyd administreres i kombination med gasfyldte mikrobobler (dvs. ultralydskontrastmidler), den akustiske tryk, der kræves for BBB åbning er betydeligt lavere. Denne kombination af ultralyd og mikrobobler kan anvendes til pålideligt at åbne BBB uden at forårsage vævsbeskadigelse 8-11.

Her, er en fremgangsmåde præsenteres til udførelse AIM MRI ved hjælp mikrobobler og ultralyd til at åbne BBB. Efter en intravenøs injektion af perflutren mikrobobler er en ufokuseret pulserende ultralydsstrålen påføres barberede muse hovedet i 3 minutter. For nemheds skyld henviser vi til denne teknik på BBB Åbning med Mikrobobler og ultralyd som BOMUS 12. Anvendelse BOMUS at åbne BBB hele begge cerebrale hemisfærer, er mangan administreres til hele musehjerne. Efter eksperimentel stimulering af let sederede mus, AIM MRI anvendt til at kortlægge den neuronale respons.

Tildemonstrere denne fremgangsmåde, er heri BOMUS og AIM MRI anvendt til at kortlægge ensidig mekanisk stimulering af vibrissae i let sederede mus 13. Fordi BOMUS kan åbne BBB hele begge halvkugler, er den ustimulerede side af hjernen, der anvendes til at kontrollere for ikke-specifik baggrund stimulering. Den resulterende 3D ​​aktiveringskort stemmer godt overens med offentliggjorte repræsentationer vibrissae regioner cylinderen felt cortex 14. Ultralyd åbning BBB er hurtig, ikke-invasiv, og reversibel, og derfor er denne fremgangsmåde egnet til high-throughput og / eller langsgående undersøgelser i vågne mus.

Protocol

1. Saml og Kalibrer Ultralyd System Ultralydssystemet begynder med en enkelt-element ultralydtransducer med en diameter bred nok til at dække musehjerne og en centerfrekvens i intervallet på 2 MHz. Transduceren drives af en 50 dB-forstærker, som er forbundet til en signalgenerator, der frembringer ultralydsimpulsen sekvens. At kalibrere akustiske tryk ultralyd-systemet, anvendes en hydrofon til at relatere den påtrykte spænding til den resulterende akustiske tryk. Placere transduceren i en vand…

Discussion

Her blev en metode præsenteret for invasiv åbne BBB hele musen hjernen med ultralyd og mikrobobler (BOMUS). Med BBB åben + Mn 2 blev administreret, og aktiverings-induceret mangan-MRI (AIM MRI) blev anvendt til at afbilde neuronal respons på kortvarig stimulering let sederede mus.

Passende BBB åbning blev opnået med en spids-negativ akustisk tryk på 0,36 MPa. Bemærk, er trykket ved hovedbunden overflade ved midten af ​​ultralydsstrålen. Målinger af en enke…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Alt arbejde blev udført på Duke Center for In Vivo Microscopy, en NIH / NIBIB National Biomedical Technology Resource Center (P41 EB015897) og NCI Mindre Husdyrs Imaging Resource Program (U24 CA092656). Yderligere støtte blev givet fra 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  

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. , (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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video