Échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle pour la surveillance du flux sanguin cérébral
Summary
L’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle complète d’autres modalités d’imagerie fonctionnelle, avec sa mesure à haute résolution temporelle des changements induits par le stimulus dans le flux sanguin cérébral dans les artères cérébrales basales. Cet article sur les méthodes donne des instructions étape par étape pour l’utilisation de l’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle.
Abstract
L’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle (dtst partie) est l’utilisation de l’échographie Doppler transcrânienne (TCD) pour étudier l’activation neuronale se produisant lors de stimuli tels que le mouvement physique, l’activation de capteurs tactiles dans la peau et la visualisation d’images. L’activation neuronale est déduite d’une augmentation de la vitesse du flux sanguin cérébral (CBFV) alimentant la région du cerveau impliquée dans le traitement de l’entrée sensorielle. Par exemple, la visualisation de la lumière vive provoque une augmentation de l’activité neuronale dans le lobe occipital du cortex cérébral, entraînant une augmentation du flux sanguin dans l’artère cérébrale postérieure, qui alimente le lobe occipital. Dans la dts fTCD, les changements dans le CBFV sont utilisés pour estimer les changements dans le flux sanguin cérébral (CBF).
Avec sa mesure à haute résolution temporelle des vitesses du flux sanguin dans les principales artères cérébrales, la dts fTCD complète d’autres techniques d’imagerie fonctionnelle établies. L’objectif de cet article sur les méthodes est de donner des instructions étape par étape pour l’utilisation de la dts fTCD pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle. Tout d’abord, les étapes de base pour identifier l’artère cérébrale moyenne (MCA) et optimiser le signal seront décrites. Ensuite, le placement d’un dispositif de fixation pour maintenir la sonde TCD en place pendant l’expérience sera décrit. Enfin, l’expérience de maintien de la respiration, qui est un exemple spécifique d’expérience d’imagerie fonctionnelle utilisant la dts fTCD, sera démontrée.
Introduction
Dans la recherche en neurosciences, il est souvent souhaitable de surveiller l’activité cérébrale en temps réel de manière non invasive dans divers environnements. Cependant, les modalités conventionnelles de neuroimagerie fonctionnelle ont des limites qui entravent la capacité de capturer des changements d’activité localisés et / ou rapides. La résolution temporelle réelle (non agitée, non rétrospective) de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est actuellement de l’ordre de quelques secondes1, qui peut ne pas capturer les changements hémodynamiques transitoires liés à l’activation neuronale transitoire. Dans un autre exemple, bien que la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) ait une résolution temporelle élevée (millisecondes) et une résolution spatiale raisonnable, elle ne peut sonder que les changements hémodynamiques dans le cortex cérébral et ne peut pas fournir d’informations sur les changements qui se produisent dans les grandes artères alimentant le cerveau.
En revanche, la dts fTC – classée comme une modalité de neuroimagerie – « imagerie » fait référence aux dimensions du temps et de l’espace, plutôt qu’à deux directions spatiales orthogonales qui sont plus familières dans une « image ». La dts fTCD fournit des informations complémentaires à d’autres modalités de neuroimagerie en mesurant les changements hémodynamiques à haute résolution temporelle (généralement 10 ms) à des endroits précis dans les vaisseaux de la circulation cérébrale basale. Comme avec d’autres modalités de neuroimagerie, la dts fTCD peut être utilisée pour une variété d’expériences telles que l’étude de la latéralisation de l’activation cérébrale pendant les tâches liées au langage2,3,4, l’étude de l’activation neuronale en réponse à divers stimuli somatosensoriels5, et l’exploration de l’activation neuronale dans divers stimuli cognitifs tels que les tâches visuelles6, les tâchesmentales 7, et même la production d’outils8.
Bien que la dts fTCD offre plusieurs avantages pour une utilisation en imagerie fonctionnelle, notamment le faible coût de l’équipement, la portabilité et une sécurité accrue (par rapport au test Wada3 ou à la tomographie par émission de positons [TEP]), le fonctionnement d’un appareil TCD nécessite des compétences acquises par la pratique. Certaines de ces compétences, qui doivent être apprises par un opérateur TCD, comprennent la capacité d’identifier diverses artères cérébrales et les habiletés motrices nécessaires pour manipuler avec précision la sonde à ultrasons lors de la recherche de l’artère concernée. L’objectif de cet article sur les méthodes est de présenter une technique d’utilisation de la dts fTC pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle. Tout d’abord, les étapes de base pour identifier et optimiser le signal du MCA, qui perfuse 80% de l’hémisphère cérébral9, seront répertoriées. Ensuite, le placement d’un dispositif de fixation pour maintenir la sonde TCD en place pendant l’expérience sera décrit. Enfin, l’expérience de maintien de la respiration, qui est un exemple d’expérience d’imagerie fonctionnelle utilisant la dts fTCD, sera décrite et des résultats représentatifs seront présentés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les étapes critiques du protocole comprennent 1) la recherche du MCA, 2) le placement du bandeau et 3) l’exécution de la manœuvre de maintien de la respiration.
Des modifications peuvent être nécessaires en fonction des sujets de l’étude. Par exemple, les sujets atteints de la maladie d’Alzheimer peuvent avoir de la difficulté à suivre les instructions, ce qui nécessite l’utilisation d’un capnographe pour assurer le respect des instructions …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce projet est basé sur des recherches qui ont été partiellement soutenues par la Nebraska Agricultural Experiment Station avec un financement de la Loi Hatch (numéro d’acquisition 0223605) par l’intermédiaire de l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA.
Materials
| Aquasonic | Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA | 01-50 | Ultrasound Gel |
| Doppler Box X | DWL Compumedics Gmbh, Singen, Germany | Model "BoxX" | Transcranial Doppler with 2-MHz monitoring probes |
| Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34256 | Delicate Task Wipers |
| Transeptic | Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA | 09-25 | Cleaning Spray |
Referenzen
- Buxton, R. B. The physics of functional magnetic resonance imaging (fMRI). Reports on Progress in Physics. 76 (9), 096601 (2013).
- Lohmann, H., Dräger, B., Müller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography. NeuroImage. 24 (3), 780-790 (2005).
- Knecht, S., et al. Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography: a comparison with the Wada test. Stroke. 29 (1), 82-86 (1998).
- Knecht, S., et al. Successive activation of both cerebral hemispheres during cued word generation. Neuroreport. 7 (3), 820-824 (1996).
- Hage, B., Way, E., Barlow, S. M., Bashford, G. R. Real-time cerebral hemodynamic response to tactile somatosensory stimulation. Journal of Neuroimaging. 28 (6), 615-620 (2018).
- Hage, B., et al. Functional transcranial Doppler ultrasound for measurement of hemispheric lateralization during visual memory and visual search cognitive tasks. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 63 (12), 2001-2007 (2016).
- Meyer, G. F., Spray, A., Fairlie, J. E., Uomini, N. T. Inferring common cognitive mechanisms from brain blood-flow lateralization data: a new methodology for fTCD analysis. Frontiers in Psychology. 5, 552 (2014).
- Uomini, N. T., Meyer, G. F. Shared brain lateralization patterns in language and Acheulean stone tool production: a functional transcranial Doppler ultrasound study. PLoS ONE. 8 (8), 72693 (2013).
- Edvinsson, L., MacKenzie, E. T., McCulloch, J. . Cerebral Blood Flow and Metabolism. , (1993).
- Alexandrov, A. V., et al. Practice standards for transcranial Doppler ultrasound: part I–test performance. Journal of Neuroimaging. 17 (1), 11-18 (2007).
- Fujioka, K. A., Douville, C. M., Newell, D. W., Aaslid, R. Anatomy and freehand examination techniques. Transcranial Doppler. , (1992).
- Alexandrov, A. V. Transcranial Doppler physics and techniques, lecture notes. American Society of Neuroimaging Conference. , (2020).
- Alwatban, M., Truemper, E. J., Al-rethaia, A., Murman, D. L., Bashford, G. R. The breath-hold acceleration index: a new method to evaluate cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler. Journal of Neuroimaging. 28 (4), 429-435 (2018).
- Tiecks, F. P., et al. Effects of the Valsalva maneuver on cerebral circulation in healthy adults: a transcranial Doppler study. Stroke. 26 (8), 1386-1392 (1995).
- Alwatban, M., Murman, D. L., Bashford, G. Cerebrovascular reactivity impairment in preclinical Alzheimer’s disease. Journal of Neuroimaging. 29 (4), 493-498 (2019).
- Twedt, M. H., et al. Most high-intensity transient signals are not associated with specific surgical maneuvers. World Journal for Pediatric and Congenital Heart Surgery. 11 (4), 401-408 (2020).
- Moehring, M. A., Spencer, M. P. Power M-mode Doppler (PMD) for observing cerebral blood flow and tracking emboli. Ultrasound in Medicine & Biology. 28 (1), 49-57 (2002).
- Poldrack, R. A. The future of fMRI in cognitive neuroscience. NeuroImage. 62 (2), 1216-1220 (2012).
- Oh, H., Custead, R., Wang, Y., Barlow, S. Neural encoding of saltatory pneumotactile velocity in human glabrous hand. PLoS ONE. 12 (8), 0183532 (2017).
- Rosner, A. O., Barlow, S. M. Hemodynamic changes in cortical sensorimotor systems following hand and orofacial motor tasks and pulsed pneumotactile stimulation. Somatosensory & Motor Research. 33 (3-4), 145-155 (2016).
- Alexandrov, A. V., et al. High rate of complete recanalization and dramatic clinical recovery during tPA infusion when continuously monitored with 2-MHz transcranial doppler monitoring. Stroke. 31 (3), 610-614 (2000).
- Watt, B. P., Burnfield, J. M., Truemper, E. J., Buster, T. W., Bashford, G. R. Monitoring cerebral hemodynamics with transcranial Doppler ultrasound during cognitive and exercise testing in adults following unilateral stroke. 2012 IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Annual Conference Proceedings. , 2310-2313 (2012).
- Markus, H. S., Harrison, M. J. Estimation of cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler, including the use of breath-holding as the vasodilatory stimulus. Stroke. 23 (5), 668-673 (1992).
- File:Circle of Willis en.svg. . Wikimedia Commons, the free media repository Available from: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Circle_of_Willis_en.svg (2020)
- Bode, H. . Pediatric Applications of Transcranial Doppler Sonography. , (1988).
