गैर इनवेसिव parenchymal, नाड़ी और मेटाबोलिक उच्च आवृत्ति अल्ट्रासाउंड और photoacoustic चूहा डीप ब्रेन इमेजिंग
Summary
The present work describes a new protocol to perform non-invasive high-frequency ultrasound and photoacoustic based imaging on rat brain, to efficiently visualize deep subcortical regions and their vascular patterns by directing signals on skull foramina naturally present on animal cranium.
Abstract
Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central nervous system of small animals. However, transdermal and transcranial neuroimaging is frequently affected by low sensitivity, image aberrations and loss of space resolution, requiring scalp or even skull removal before imaging. To overcome this challenge, a new protocol is presented to gain significant insights in brain hemodynamics by photoacoustic and high-frequency ultrasounds imaging with the animal skin and skull intact. The procedure relies on the passage of ultrasound (US) waves and laser directly through the fissures that are naturally present on the animal cranium. By juxtaposing the imaging transducer device exactly in correspondence to these selected areas where the skull has a reduced thickness or is totally absent, one can acquire high quality deep images and explore internal brain regions that are usually difficult to anatomically or functionally describe without an invasive approach. By applying this experimental procedure, significant data can be collected in both sonic and optoacoustic modalities, enabling to image the parenchymal and the vascular anatomy far below the head surface. Deep brain features such as parenchymal convolutions and fissures separating the lobes were clearly visible. Moreover, the configuration of large and small blood vessels was imaged at several millimeters of depth, and precise information were collected about blood fluxes, vascular stream velocities and the hemoglobin chemical state. This repertoire of data could be crucial in several research contests, ranging from brain vascular disease studies to experimental techniques involving the systemic administration of exogenous chemicals or other objects endowed with imaging contrast enhancement properties. In conclusion, thanks to the presented protocol, the US and PA techniques become an attractive noninvasive performance-competitive means for cortical and internal brain imaging, retaining a significant potential in many neurologic fields.
Introduction
प्रतिमिनट छोटे जानवरों के केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में मस्तिष्क hemodynamics की विशेषताओं का वर्णन करने के लिए रणनीतियाँ तंत्रिका विज्ञान 1-3 के क्षेत्र अग्रिम करने के लिए आवश्यक हैं। प्रस्तुत तकनीक संवहनी जीव विज्ञान, व्यवस्था और समारोह की जांच के क्रम में छोटे पशु मस्तिष्क पर noninvasive ध्वनिक और photoacoustic इमेजिंग प्रदर्शन को दर्शाता है।
ऑप्टिकल इमेजिंग तकनीक तंत्रिका गतिविधि 2,4-5 से संबंधित घटनाओं का स्थानीयकरण की अनुमति है और दोनों एक साथ ऑक्सीजन और गैर ऑक्सीजन राज्यों 6 में हीमोग्लोबिन द्वारा उत्पन्न संकेतों के अधिग्रहण। हालांकि, की वजह फोटोनिक अवशोषण और बिखरने के लिए, शुद्ध ऑप्टिकल इमेजिंग गरीब स्थानिक संकल्प और सीमित ऊतक प्रवेश गहराई 7-8 से ग्रस्त है। इसके विपरीत, ध्वनिकी उच्च अंतरिक्ष स्थानिक संकल्प के साथ गहरी इमेजिंग प्रदर्शन करने का अवसर प्रदान करते हैं, लेकिन यह धब्बा और सीमित विपरीत 9-11 द्वारा रुकावट है। फोटोनिक्स वाई की सुविधाओं के संयोजन सेअल्ट्रासाउंड वें, photoacoustic तकनीक इमेजिंग और एकल विधियों 12-16 के नैदानिक योग्यता दोनों में सुधार।
मस्तिष्क के photoacoustic इमेजिंग तंत्रिका जीव विज्ञान में कई सवालों को स्पष्ट करने की क्षमता है, हालांकि, स्वाभाविक रूप से नाटकीय रूप से, encephalon की रक्षा करता है photonic और अल्ट्रासोनिक ऊतक पैठ 17-19 दोनों को सीमित करता है कि skullcap। इसके अलावा, हड्डियों संवेदनशीलता और छवि aberrations के 17-18 के नुकसान में जिसके परिणामस्वरूप प्रकाश और ध्वनि दोनों के बिखरने को बढ़ावा देने के। एक परिणाम के रूप में, मस्तिष्क अल्ट्रासोनिक और photoacoustic इमेजिंग आसानी से पूर्व हड्डी बन जाना 20 नवजात शिशु जानवरों पर प्रदर्शन किया, लेकिन वयस्क मस्तिष्क के गहरे शरीर रचना विज्ञान और शरीर विज्ञान केवल craniotomy 21,22 के बाद स्पष्ट रूप से सुलभ हैं किया जा सकता है। अफसोस, खोपड़ी को हटाने के लिए आवश्यक सर्जरी तकनीकी रूप से कठिन है और इसके प्रभाव कुछ प्रयोगात्मक प्रयोजनों के इस प्रकार में तंत्रिका रोग प्रगति की निगरानी करने के लिए यह मुश्किल बनाने के लिए हानिकारक हो सकता हैसमय के साथ ही जानवर। इसलिए, छोटे पशु मॉडल में छवि गहरी मस्तिष्क जीव विज्ञान के लिए एक गैर इनवेसिव विधि अत्यधिक वांछनीय है। साहित्य में फोटॉन recycler के 17 की विधि फोन के नुकसान को कम और शोर अनुपात (SNR) और लक्ष्य के विपरीत करने के लिए photoacoustic संकेत सुधार, अक्षुण्ण खोपड़ी के माध्यम से संप्रेषण को बढ़ाने के लिए एक रास्ते के रूप में सूचना दी है।
प्रस्तुत प्रोटोकॉल किसी भी आक्रामक सर्जरी के बिना (विशेष रूप से चूहों पर) शोध-उपयोग कृन्तकों पर subcortical मस्तिष्क ध्वनिक और photoacoustic इमेजिंग के लिए एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करना है। प्रक्रिया उच्च आवृत्ति अल्ट्रासाउंड और photoacoustic इमेजिंग के लिए पोर्टेबल transducing उपकरणों के उपयोग पर आधारित है। इसके विपरीत इमेजिंग तकनीक 23, पोर्टेबल और 24 स्वाभाविक रूप से कम मोटाई के साथ विशिष्ट कपाल क्षेत्रों का चयन सक्षम दिशात्मक ट्रांसड्यूसर tomographic करने के लिए, दरारें या scissures करार दिया। कशेरुकी एक पर उपस्थित प्रमुख clefts (foramina)निर्मल खोपड़ी शरीर के अन्य भागों में आंतरिक encephalon सर्किट को जोड़ने तंत्रिका बंडलों, बर्तन या अन्य संरचनाओं का पता लगाने के लिए आवश्यक हैं। प्रमुख clefts अल्ट्रासाउंड तरंगों और लेजर के लिए विशिष्ट मार्ग के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है कि अलग आकार की हड्डी के उद्घाटन में पाए जाते हैं। इस तरह निशाना बनाया इमेजिंग हड्डी इंटरफेस के कारण लहर प्रतिबिंब प्रभाव को कम कर देता है और इमेजिंग प्रवेश गहराई बढ़ाने के द्वारा संवेदनशीलता बढ़ जाती है। इस परिप्रेक्ष्य में, इमेजिंग ट्रांसड्यूसर इन क्षेत्रों पर अल्ट्रासाउंड और फोटोनिक मुस्कराते हुए ज़्यादा से ज़्यादा एकाग्र करने के क्रम में, लौकिक पर और खोपड़ी (चित्रा 1) के पश्चकपाल ओर स्थित clefts को सीधा होने के लिए व्यवस्था की जा सकती है। दोनों इस उन्मुखीकरण संकेत गुणवत्ता को बढ़ाता है और अन्य कपाल झुकाव के लिए सम्मान के साथ एक पतली हड्डी परत के माध्यम से आगे बढ़ने के लिए संकेत मजबूर करता है। इस प्रकार, प्रेषित और परिलक्षित लहरों गहरे से होने वाले तीव्र संकेतों के संग्रह, सक्रिय करने के बिखरने की एक डिग्री कम से गुजरनाऊतक परतों। कोई अन्य शल्य चिकित्सा के लिए आवश्यक है, जबकि पहले प्रक्रियाओं के विपरीत, इस प्रयोगात्मक सेटिंग, सिर्फ जानवर सिर हजामत बनाने की आवश्यकता है।
प्रस्तावित प्रोटोकॉल के साथ, इमेजिंग, दोनों विशिष्ट संदर्भ शारीरिक संरचनाओं और कला के तरीकों की वर्तमान स्थिति से भी गहरा रक्त वाहिकाओं, पशुओं की त्वचा और खोपड़ी बरकरार रहेगा सब करते हुए खुलासा, अपेक्षाकृत उच्च स्थानिक संकल्प पर किया जाता है। अनोखा राज्याभिषेक और अक्षीय छवियों photoacoustic इमेजिंग के लिए समानांतर में विभिन्न अल्ट्रासोनिक इमेजिंग अधिग्रहण के तौर-तरीकों (बी, पावर डॉपलर, रंग डॉपलर, स्पंदित वेव मोड) शोषण से प्राप्त किया जा सकता है। मापदंडों की एक विस्तारित प्रदर्शनों की सूची रक्त परिसंचरण की गतिशीलता को प्रभावित करने सुविधाओं की एक पूरी संग्रह के साथ parenchymal और नाड़ी शरीर रचना विज्ञान के चित्रण, सक्रिय करने के लिए इन छवियों से निकाला जा सकता है। इस प्रोटोकॉल उच्च आवृत्ति अल्ट्रासोनिक बी मोड साधन, आधारी और आंतरिक मन्या धमनियों (में छवि बुनियादी कॉर्टिकल पैरेन्काइमा सुविधाओं के लिए इस्तेमाल किया जा सकता हैविलिस के सर्किल रचना बीए और आईसीए क्रमशः), मध्य मस्तिष्क धमनी (एमसीए) और संचार तंत्र के अन्य विवरण। इसके अलावा, रक्त का प्रवाह मात्रा का ठहराव, धारा वेग, दिशात्मक गति विवरण और ऑक्सीजन संतृप्ति डेटा मतलब गहरी मस्तिष्क क्षेत्रों के लिए कॉर्टिकल से एकत्र किया जा सकता है।
इस नई रणनीति आवेदनों की एक किस्म के लिए महान क्षमता रखती है और विभिन्न विकृतियों में महत्वपूर्ण हैं कि गहरी मस्तिष्क सुविधाओं को दर्शाती विश्वसनीय प्रक्रियाओं के लिए तत्काल जरूरत को संतुष्ट करता है। इसके अलावा, क्योंकि इसकी न्यूनतम invasiveness की, प्रस्तुत प्रोटोकॉल केंद्रीय तंत्रिका तंत्र पर असंख्य संभव इमेजिंग अध्ययन, लंबे समय तक निगरानी की आवश्यकता होती है या नाजुक वैकृत पशु मॉडल से जुड़े विशेष रूप से उन सक्षम कर सकते हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रस्तुत प्रोटोकॉल छोटे जानवरों में अत्यधिक प्रभावी मस्तिष्क इमेजिंग प्रदर्शन प्रदान करने के लिए अनुकूलित किया गया था। छवियाँ ठीक अधिग्रहण मापदंडों और खोपड़ी foramina पर ट्रांसड्यूसर स्थिति के बारे में संकेत का पालन करते हुए विभिन्न रूपों में प्राप्त किया जा सकता है। अमेरिका और लेजर सही ढंग से पश्चकपाल एक से छोटी है जो रंध्र, घुसना ठीक करने के लिए के रूप में संभव के रूप में केन्द्रित किया जाना है के बाद से विशेष रूप से, लौकिक पक्ष पर स्थिति, सबसे महत्वपूर्ण है। फिर भी, इस प्रयोगात्मक स्थापित करने के लिए धन्यवाद, शारीरिक या यहां तक कि वैकृत प्रतियोगिता से संबंधित hemodynamic सुविधाओं पहुंच रहे हैं और यहां तक कि आम तौर पर चिह्नित करना मुश्किल हो जाता है, जो गहरी मस्तिष्क क्षेत्रों में मूल्यांकन किया जा सकता है।
सफल छवि अधिग्रहण ट्रांसड्यूसर स्थिति की सटीकता पर निर्भर करता है, इस निर्भरता यह इमेजिंग प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है क्योंकि सावधानी से ध्यान में रखा जाना है। उदाहरण के लिए,ब्याज की कुछ शारीरिक संरचनाओं पूरी तरह से अधिग्रहण इमेजिंग विमान और suboptimal परिणाम सकता है सिर्फ एक आंशिक दृष्टि का प्रस्ताव है कि छवियों से उनकी पहचान में शामिल नहीं किया जा सकता है। यह एक पूर्व निर्धारित automatized मार्ग के किनारे स्थानांतरित करने के लिए ट्रांसड्यूसर की आवश्यकता है, क्योंकि इसके अलावा, एक तीन आयामी साधन (3 डी मोड) में प्रदर्शन एक अमेरिका और पीए इमेजिंग अधिग्रहण, पहले से वर्णित प्रयोगात्मक सेटिंग के साथ संगत नहीं होगा। अंत में, कारण प्राकृतिक शारीरिक परिवर्तनशीलता के लिए, खोपड़ी के उद्घाटन के आयाम भी महत्वपूर्ण है, जानवरों के बीच भिन्न हो सकते हैं, इस प्रकार के अधिग्रहण की प्रक्रिया पर अप्रत्याशित नतीजों कर रही है। इस तथ्य को प्रत्येक व्यक्ति की विशेषताओं पर छवि गुणवत्ता निर्भर बनाता है। नतीजतन, असंभव प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल जब डिजाइनिंग विचार किया जाना है कुछ जानवरों के लिए इस रणनीति को लागू करने के लिए।
विशेष रूप से, एक उल्लेखनीय ब्याज के कारण का पता लगाने में अपनी मौलिक भूमिका करने के लिए, hemodynamics को संबोधित किया हैप्रणालीगत प्रशासन 28-29 के बाद दवाओं या अन्य बहिर्जात अणुओं के biodistribution। आण्विक इमेजिंग के क्षेत्र में अनुप्रयोगी निहितार्थ अल्ट्रासाउंड प्रेरित बीबीबी उद्घाटन 30 की आवश्यकता होती छवि नजर रखी दवा वितरण के अध्ययन के लिए रक्त के पूल इमेजिंग विपरीत एजेंटों के सत्यापन से लेकर कई हैं। इन अनुसंधान प्रयोजनों के सभी निश्चित रूप से किसी भी अतिरिक्त सर्जरी के बिना, मृत्यु या अवांछित साइड इफेक्ट का खतरा काफी हद तक कम हो जाता है और एक ही पशु मॉडल पर लंबे समय तक निगरानी संभव है, विचार है कि प्रोटोकॉल के न्यूनतम invasiveness से लाभ होगा।
सारांश में, प्रस्तुत प्रोटोकॉल कुशलतापूर्वक छवि और सही ढंग से शारीरिक स्थलाकृति और अनुसंधान का उपयोग करने के पशु मॉडल में सामान्य या वैकृत मस्तिष्क के ऊतकों के संवहनी पैटर्न की व्याख्या करने के लिए व्यवसायी सक्षम हो जाएगा। मौजूदा तरीकों मुख्य रूप से कॉर्टिकल इमेजिंग 25-27 tomographic करने के लिए सीमित कर रहे हैं, इस सेटिंग के अवसर टी देता हैओ दोनों अमेरिका और पीए इमेजिंग द्वारा प्रदान की फायदे विलय करके, गहरी मस्तिष्क शरीर क्रिया विज्ञान को प्रभावित करने वाले कई प्रक्रियाओं को वर्णन।
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| High frequency ultrasound and photoacoustic imaging station (VEVO LAZR 2100 system) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | ||
| Vevo Compact Dual Anesthesia System (Tabletop Version) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODt Sht.dpuf |
|
| Ultrasound Transmission Gel (Aquasonic 100) | PARKER LABORATORIES INC. | 01-08 | http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp |
| Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories | Three helathy 6-weeks old Sprague-Dawley rats were purchased by Charles River Laboratories and kept in standard housing (12 h light-dark cycles) with a standard rodent chow and water available ad libitum. Provided by: http://www.criver.com/ |
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