JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Protocol
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

Ultrasonik Kan-beyin bariyeri bozulması ve Manganez kontrastlı MRG kullanma İşlevsel beyin görüntüleme

Published: July 12, 2012
doi:
10.3791/4055
, , , ,
1Department of Radiology,Stanford University , 2Center for In Vivo Microscopy,Duke University Medical Center, 3Department of Biomedical Engineering,Duke University

Summary

A yöntemi genel mikro-kabarcıkların ve ultrason ile fare kan-beyin bariyerini açılması için tarif edilmiştir. Bu teknik kullanılarak, manganez fare beyin için uygulanabilir. Manganez depolarize nöronlarda birikerek bir MR kontrast madde olduğundan, bu yaklaşım nöronal aktivitenin görüntüleme sağlar.

Abstract

Fareler nörobilim, farelerde işlevsel beyin görüntüleme genetik ve moleküler temelleri incelemek için egemen model sistem olmasına rağmen teknik açıdan zor kalır. Bir yaklaşım, Aktivasyon Bağlı Manganez kontrastlı MRG (AIM MRG), kemirgenler 1-5 nöronal aktivitenin eşleştirmek için başarıyla kullanılmaktadır. AIM MRG yılında, Mn 2 + kalsiyum analog davranır ve depolarize nöronlarda 6,7 birikir. Mn 2 + T 1 doku özelliğini kısaltır Çünkü, artmış nöronal aktivitenin bölgelerinde MRG'de artıracaktır. Dahası, Mn 2 + aktifleştirilmiş bölgelerden yavaş temizlenir ve bu nedenle, uyarılması daha deneysel bir esneklik sağlayan, önceden görüntüleme için mıknatıs dışında gerçekleştirilebilir. Ancak, Mn 2 + kolaylıkla özellikle farelerde kan-beyin bariyeri (KBB), BBB AIM MRG kullanımı sınırlı olan açmaya gerek, çapraz değil çünkü.

BBB açılması için tek araç olduğunu Ultrasound. Zararlı olsa ultrason gazlı kabarcıkların (yani, ultrason kontrast ajanlar) ile birlikte uygulandığında ise, BBB açılması için gerekli akustik basınç oldukça düşüktür. Ultrason ve kabarcıkların Bu kombinasyon güvenilir bir şekilde doku hasarının yol açmadan 8-11 bbb açmak için kullanılabilir.

Burada bir yöntem BBB açmak için mikro kabarcıklar ve ultrason kullanılarak MRG AIM gerçekleştirmek için sunulmuştur. Perflutren kabarcıkların intravenöz enjeksiyonu takiben, bir Odaksız darbeli ultrason dalgaları 3 dakika boyunca traş fare kafası için uygulanır. Kolaylık için, biz Mikrobaloncuklar ve BOMUS 12 olarak Ultrasound ile BBB Açılış bu tekniği bakın. Her iki serebral hemisfer boyunca BBB açmak için BOMUS kullanarak, manganez tüm fare beyin uygulanır. Hafif sedasyon farelerde deneysel stimülasyon sonra, AIM MRG nöronal yanıtı eşlemek için kullanılır.

IçinBu yaklaşım göstermek, burada BOMUS ve AIM MRG 13 hafif sedasyon farelerin burun kılı tek taraflı mekanik stimülasyonu eşleştirmek için kullanılır. BOMUS iki beyin yarı küresine boyunca bbb açabilir, çünkü, beyin unstimulated yan spesifik olmayan arka uyarılması için kontrol etmek için kullanılır. Elde edilen 3D aktivasyon haritası varil alan korteksin 14 burun kılı bölgelerinin yayınlanan temsilcilikleri ile de kabul eder. Bbb bir ultrasonik açılması, hızlı invaziv olmayan ve tersine çevrilebilir ve bu nedenle bu yaklaşım uyanık farelerde yüksek verim ve / veya uzunlamasına çalışmalar için uygundur.

Protocol

1. Ultrason Sistemi kurma ve kalibre Ultrason sistemi 2 MHz aralığında farenin beyin ve merkezi frekans kapsayacak kadar geniş bir çapa sahip tek bir eleman ultrason probu ile başlar. Transdüser ultrason darbe dizisi üreten bir sinyal jeneratörüne bağlı olan bir 50 dB-güç amplifikatörü tarafından tahrik edilir. Ultrason sisteminin akustik basınç kalibre edilmesi, sonuçta meydana gelen akustik basınç uygulanan gerilim ilişkili bir hidrofon kullanabilir. Hidrofon üzerinde bir s…

Discussion

Burada bir yöntem noninvaziv ultrason ve kabarcıkların (BOMUS) ile tüm fare beyin boyunca BBB açılması için sunuldu. BBB açıkken, Mn 2 + uygulandı ve aktivasyon bağlı manganez kontrastlı MRG (AIM MRG) hafif sedasyon farelerde kısa süreli stimülasyon görüntü nöronal yanıtı için kullanıldı.

Yeterli BBB açılış 0.36 MPa pik negatif akustik basınç elde edildi. Not, bu ultrason ışının merkezinde derisi yüzeyinde basıncıdır. Tek eleman transdüseri…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Tüm çalışmalar Vivo Mikroskopi olarak için Duke Center, NIH / NIBIB yapıldı Ulusal Biyomedikal Teknoloji Kaynak Merkezi (P41 EB015897) ve NCI Küçük Hayvan Görüntüleme Kaynak Programı (U24 CA092656). Ek destek NSF Yüksek Lisans Araştırma Bursu (2003014921) temin edildi.

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  
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Functional NeuroimagingUltrasonic Blood-brain Barrier DisruptionManganese-enhanced MRIMiceGenetic And Molecular Underpinnings Of NeuroscienceAIM MRINeuronal Activity MappingMn2+Calcium AnalogMRI EnhancementMn2+ ClearanceBlood-brain Barrier (BBB)UltrasoundGas-filled MicrobubblesUltrasound Contrast AgentsBBB Opening MethodPerflutren Microbubbles

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image