Funktioneller transkranialer Doppler-Ultraschall zur Überwachung des zerebralen Blutflusses

Summary

Funktioneller transkranialer Doppler-Ultraschall ergänzt andere funktionelle Bildgebungsmodalitäten mit seiner hohen zeitlichen Auflösung der Messung von reizinduzierten Veränderungen des zerebralen Blutflusses innerhalb der basalen Hirnarterien. Dieses Methodenpapier enthält Schritt-für-Schritt-Anleitungen zur Verwendung von funktionellem transkraniellem Doppler-Ultraschall zur Durchführung eines funktionellen Bildgebungsexperiments.

Abstract

Funktioneller transkranialer Doppler-Ultraschall (fTCD) ist die Verwendung von transkraniellem Doppler-Ultraschall (TCD), um die neuronale Aktivierung zu untersuchen, die während Reizen wie körperlicher Bewegung, Aktivierung taktiler Sensoren in der Haut und Betrachtung von Bildern auftritt. Die neuronale Aktivierung wird aus einer Erhöhung der zerebralen Blutflussgeschwindigkeit (CBFV) abgeleitet, die die Region des Gehirns versorgt, die an der Verarbeitung sensorischer Eingaben beteiligt ist. Zum Beispiel verursacht die Betrachtung von hellem Licht eine erhöhte neuronale Aktivität im Okzipitallappen der Großhirnrinde, was zu einem erhöhten Blutfluss in der hinteren Hirnarterie führt, die den Okzipitallappen versorgt. Bei fTCD werden Veränderungen in CBFV verwendet, um Veränderungen des zerebralen Blutflusses (CBF) abzuschätzen.

Mit seiner hochauflösenden Messung der Blutflussgeschwindigkeiten in den wichtigsten Hirnarterien ergänzt fTCD andere etablierte funktionelle bildgebungsverfahren. Das Ziel dieses Methodenpapiers ist es, Schritt-für-Schritt-Anweisungen für die Verwendung von fTCD zur Durchführung eines funktionellen Bildgebungsexperiments zu geben. Zunächst werden die grundlegenden Schritte zur Identifizierung der mittleren Hirnarterie (MCA) und zur Optimierung des Signals beschrieben. Als nächstes wird die Platzierung einer Fixierungsvorrichtung zum Halten der TCD-Sonde während des Experiments beschrieben. Abschließend wird das atmungsaktive Experiment demonstriert, das ein konkretes Beispiel für ein funktionelles Bildgebungsexperiment mit fTCD ist.

Introduction

In der neurowissenschaftlichen Forschung ist es oft wünschenswert, die Gehirnaktivität in Echtzeit nichtinvasiv in einer Vielzahl von Umgebungen zu überwachen. Herkömmliche funktionelle Neuroimaging-Modalitäten haben jedoch Einschränkungen, die die Fähigkeit behindern, lokalisierte und / oder schnelle Aktivitätsänderungen zu erfassen. Die wahre (nicht gejitterte, nicht retrospektive) zeitliche Auflösung der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) liegt derzeit in der Größenordnung von wenigen Sekunden¹, die möglicherweise keine vorübergehenden hämodynamischen Veränderungen im Zusammenhang mit einer vorübergehenden neuronalen Aktivierung erfasst. In einem anderen Beispiel kann die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) zwar eine hohe zeitliche Auflösung (Millisekunden) und eine angemessene räumliche Auflösung aufweisen, aber nur hämodynamische Veränderungen innerhalb der Großhirnrinde untersuchen und keine Informationen über Veränderungen liefern, die in den größeren Arterien stattfinden, die das Gehirn versorgen.

Im Gegensatz dazu bezieht sich fTCD – klassifiziert als Neuroimaging-Modalität – “Bildgebung” auf die Dimensionen von Zeit und Raum und nicht auf zwei orthogonale Raumrichtungen, die in einem “Bild” vertrauter sind. fTCD liefert komplementäre Informationen zu anderen Neuroimaging-Modalitäten, indem es hämodynamische Veränderungen mit hoher zeitlicher Auflösung (typischerweise 10 ms) an genauen Stellen innerhalb der Gefäße der basalen Hirnzirkulation misst. Wie bei anderen Neuroimaging-Modalitäten kann fTCD für eine Vielzahl von Experimenten verwendet werden, wie z.B. die Untersuchung der Lateralisierung der zerebralen Aktivierung während sprachbezogener Aufgaben^2,3,4, die Untersuchung der neuronalen Aktivierung als Reaktion auf verschiedene somatosensorische Reize⁵und die Erforschung der neuronalen Aktivierung in verschiedenen kognitiven Reizen wie Sehaufgaben⁶, mentale Aufgaben⁷und sogar Werkzeugproduktion⁸.

Obwohl fTCD mehrere Vorteile für den Einsatz in der funktionellen Bildgebung bietet, darunter niedrige Gerätekosten, Portabilität und erhöhte Sicherheit (im Vergleich zu Wada-Test³ oder Positronenemissionstomographie [PET]-Scans), erfordert der Betrieb einer TCD-Maschine Fähigkeiten, die durch die Praxis erworben wurden. Einige dieser Fähigkeiten, die von einem TCD-Bediener erlernt werden müssen, umfassen die Fähigkeit, verschiedene Hirnarterien zu identifizieren und die motorischen Fähigkeiten, die erforderlich sind, um die Ultraschallsonde während der Suche nach der entsprechenden Arterie präzise zu manipulieren. Das Ziel dieses Methodenpapiers ist es, eine Technik zur Verwendung von fTCD zur Durchführung eines funktionellen Bildgebungsexperiments vorzustellen. Zunächst werden die grundlegenden Schritte zur Identifizierung und Optimierung des Signals der MCA, die 80% der Gehirnhemisphäre⁹durchdringt, aufgelistet. Als nächstes wird die Platzierung einer Fixierungsvorrichtung zum Halten der TCD-Sonde während des Experiments beschrieben. Abschließend wird das atmungsaktive Experiment, das ein Beispiel für ein funktionelles Bildgebungsexperiment mit fTCD ist, beschrieben und repräsentative Ergebnisse gezeigt.

Protocol

Alle Forschungen am Menschen wurden in Übereinstimmung mit dem Institutional Review Board der University of Nebraska-Lincoln durchgeführt, und die Einwilligung aller Probanden wurde nach Aufklärung eingeholt. 1. Lokalisierung des MCA-Signals durch Freihand-TCD HINWEIS: “Freihand”-TCD bezieht sich auf den Betrieb von TCD mit einem Handaufnehmer, um ein CBFV-Signal zu finden, bevor ein fTCD-Experiment beginnt. TCD-Parameter einstellen Halten Sie d…

Representative Results

Abbildung 3 zeigt Beispiel-Dopplerspektren und Farb-M-Modi aus der Mitte des M1-Segments des MCA. Abbildung 3A,B wurden an der gleichen Position auf der Kopfhaut, aber in unterschiedlichen Winkeln aufgenommen. Beachten Sie, wie eine sehr kleine Winkeländerung, ohne die Kontaktposition auf der Kopfhautzu ändern, die Dopplersignalstärke erheblich verbessern kann, wie die höherintensive gelbe Färbung des Spektrogramms in Abbildung <st…

Discussion

Zu den kritischen Schritten im Protokoll gehören 1) das Finden des MCA, 2) das Platzieren des Stirnbandes und 3) das Ausführen des atmungsaktiven Manövers.

Je nach Den Probanden in der Studie können Modifikationen erforderlich sein. Zum Beispiel können Probanden mit Alzheimer-Krankheit Schwierigkeiten haben, Anweisungen zu befolgen, was die Verwendung eines Kapnographen erfordert, um die Einhaltung der atemhaltenden Anweisungen zu gewährleisten<sup class…

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