Функциональное транскраниальное допплерография для мониторинга мозгового кровотока
Summary
Функциональное транскраниальное допплерография дополняет другие функциональные методы визуализации с его измерением высокого временного разрешения стимул-индуцированных изменений мозгового кровотока в базальных мозговых артериях. В этой статье приводятся пошаговые инструкции по использованию функционального транскраниального допплерографии для выполнения эксперимента по функциональной визуализации.
Abstract
Функциональное транскраниальное допплеровское ультразвуковое исследование (fTCD) – это использование транскраниального допплерографии ультразвука (TCD) для изучения нейронной активации, происходящей во время стимулов, таких как физическое движение, активация тактильных датчиков в коже и просмотр изображений. Нейронная активация выводится из увеличения скорости мозгового кровотока (CBFV), снабжающей область мозга, участвующую в обработке сенсорного ввода. Например, просмотр яркого света вызывает повышенную нейронную активность в затылочной доле коры головного мозга, что приводит к усилению кровотока в задней мозговой артерии, которая снабжает затылочную мочку. При фТКД изменения в CBFV используются для оценки изменений мозгового кровотока (CBF).
Благодаря измерению скоростей кровотока в основных мозговых артериях с высоким временным разрешением, fTCD дополняет другие установленные методы функциональной визуализации. Целью данного документа по методам является предоставление пошаговых инструкций по использованию fTCD для выполнения функционального эксперимента по визуализации. Сначала будут описаны основные этапы выявления средней мозговой артерии (MCA) и оптимизации сигнала. Далее будет описано размещение фиксатора для удержания зонда TCD на месте во время эксперимента. Наконец, будет продемонстрирован эксперимент с задержкой дыхания, который является конкретным примером функционального эксперимента по визуализации с использованием fTCD.
Introduction
В исследованиях в области неврологии часто желательно контролировать активность мозга в режиме реального времени неинвазивно в различных средах. Однако обычные функциональные методы нейровизуализации имеют ограничения, которые препятствуют способности улавливать локализованные и/или быстрые изменения активности. Истинное (недрожащее, неретроспективное) временное разрешение функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) в настоящее время составляет порядка нескольких секунд1,что может не фиксировать переходные гемодинамические изменения, связанные с транзиторной нейронной активацией. В другом примере, хотя функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) имеет высокое временное разрешение (миллисекунды) и разумное пространственное разрешение, она может исследовать только гемодинамические изменения в коре головного мозга и не может предоставить информацию об изменениях, происходящих в более крупных артериях, снабжающих мозг.
Напротив, fTCD, классифицируемый как модальность нейровизуализации, «визуализация» относится к измерениям времени и пространства, а не к двум ортогональным пространственным направлениям, которые более знакомы в «изображении». fTCD предоставляет дополнительную информацию к другим модальностям нейровизуализации путем измерения гемодинамических изменений с высоким временным разрешением (обычно 10 мс) в точных местах в сосудах базального мозгового кровообращения. Как и в случае с другими модальностями нейровизуализации, fTCD может быть использован для различных экспериментов, таких как изучение латерализации церебральной активации во время связанных с языком задач2,3,4,изучение нейронной активации в ответ на различные соматосенсорные стимулы5и изучение нейронной активации в различных когнитивных стимулах, таких как визуальные задачи6,умственные задачи7и даже производство инструментов8.
Хотя fTCD предлагает несколько преимуществ для использования в функциональной визуализации, включая низкую стоимость оборудования, портативность и повышенную безопасность (по сравнению с тестом WADA3 или позитронно-эмиссионной томографией [ПЭТ]), эксплуатация машины TCD требует навыков, полученных на практике. Некоторые из этих навыков, которые должны быть изучены оператором TCD, включают в себя способность идентифицировать различные мозговые артерии и двигательные навыки, необходимые для точного манипулирования ультразвуковым зондом во время поиска соответствующей артерии. Целью данной статьи по методам является представление методики использования fTCD для выполнения эксперимента по функциональной визуализации. Во-первых, будут перечислены основные шаги по выявлению и оптимизации сигнала от MCA, который перфузирует 80% полушария головного мозга9. Далее будет описано размещение фиксатора для удержания зонда TCD на месте во время эксперимента. Наконец, будет описан эксперимент с задержкой дыхания, который является одним из примеров эксперимента по функциональной визуализации с использованием fTCD, и будут показаны репрезентативные результаты.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги в протоколе включают в себя 1) нахождение MCA, 2) размещение оголовья и 3) выполнение маневра задержки дыхания.
Изменения могут быть необходимы в зависимости от субъектов исследования. Например, субъекты с болезнью Альцгеймера могут испыт?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот проект основан на исследованиях, которые были частично поддержаны Сельскохозяйственной экспериментальной станцией Небраски при финансировании из Закона Хэтча (номер присоединения 0223605) через Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США.
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).
