Functionele transcraniële doppler echografie voor het monitoren van cerebrale bloedstroom
Summary
Functionele transcraniële Doppler-echografie vult andere functionele beeldvormingsmodaliteiten aan, met zijn hoge temporele resolutiemeting van stimulus-geïnduceerde veranderingen in de cerebrale bloedstroom in de basale cerebrale slagaders. Dit document Methoden geeft stapsgewijze instructies voor het gebruik van functionele transcraniële Doppler-echografie om een functioneel beeldvormingsexperiment uit te voeren.
Abstract
Functionele transcraniële Doppler echografie (fTCD) is het gebruik van transcraniële Doppler echografie (TCD) om neurale activering te bestuderen die optreedt tijdens stimuli zoals fysieke beweging, activering van tactiele sensoren in de huid en het bekijken van beelden. Neurale activering wordt afgeleid uit een toename van de cerebrale bloedstroomsnelheid (CBFV) die het gebied van de hersenen levert dat betrokken is bij de verwerking van sensorische input. Het bekijken van fel licht veroorzaakt bijvoorbeeld verhoogde neurale activiteit in de occipitale kwab van de hersenschors, wat leidt tot een verhoogde bloedstroom in de achterste hersenslagader, die de occipitale kwab levert. In fTCD worden veranderingen in CBFV gebruikt om veranderingen in de cerebrale bloedstroom (CBF) in te schatten.
Met zijn hoge temporele resolutiemeting van de bloedstroomsnelheden in de belangrijkste cerebrale slagaders, vult fTCD andere gevestigde functionele beeldvormingstechnieken aan. Het doel van dit methods paper is om stap-voor-stap instructies te geven voor het gebruik van fTCD om een functioneel beeldvormingsexperiment uit te voeren. Eerst worden de basisstappen beschreven voor het identificeren van de middelste cerebrale slagader (MCA) en het optimaliseren van het signaal. Vervolgens wordt de plaatsing van een fixatieapparaat voor het op zijn plaats houden van de TCD-sonde tijdens het experiment beschreven. Ten slotte zal het adem-holding experiment, dat een specifiek voorbeeld is van een functioneel beeldvormingsexperiment met fTCD, worden gedemonstreerd.
Introduction
In neurowetenschappelijk onderzoek is het vaak wenselijk om real-time hersenactiviteit niet-invasief te monitoren in verschillende omgevingen. Conventionele functionele neuroimaging-modaliteiten hebben echter beperkingen die het vermogen belemmeren om gelokaliseerde en/of snelle activiteitsveranderingen vast te leggen. De ware (niet-zenuwachtige, niet-retrospectieve) temporele resolutie van functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) is momenteel in de orde van enkele seconden1, die mogelijk geen voorbijgaande hemodynamische veranderingen vastlegt die verband houden met voorbijgaande neurale activering. In een ander voorbeeld, hoewel functionele near-infrared spectroscopie (fNIRS) een hoge temporele resolutie (milliseconden) en een redelijke ruimtelijke resolutie heeft, kan het alleen hemodynamische veranderingen in de hersenschors onderzoeken en geen informatie verstrekken over veranderingen die plaatsvinden in de grotere slagaders die de hersenen leveren.
FTCD daarentegen – geclassificeerd als een neuroimaging modaliteit – “beeldvorming” verwijst naar de dimensies van tijd en ruimte, in plaats van twee orthogonale ruimtelijke richtingen die bekender zijn in een “beeld”. fTCD biedt aanvullende informatie aan andere neuroimaging modaliteiten door het meten van hoge temporele resolutie (meestal 10 ms) hemodynamische veranderingen op precieze locaties in vaten van de basale cerebrale circulatie. Net als bij andere neuroimaging-modaliteiten kan fTCD worden gebruikt voor een verscheidenheid aan experimenten, zoals het bestuderen van lateralisatie van cerebrale activering tijdens taalgerelateerde taken2,3,4, het bestuderen van neurale activering als reactie op verschillende somatosensorische stimuli5, en het verkennen van neurale activering in verschillende cognitieve stimuli zoals visuele taken6,mentale taken7en zelfs gereedschapsproductie8.
Hoewel fTCD verschillende voordelen biedt voor gebruik in functionele beeldvorming, waaronder lage kosten van apparatuur, draagbaarheid en verbeterde veiligheid (in vergelijking met Wada-test3 of positronemissietomografie [PET] scans), vereist de werking van een TCD-machine vaardigheden die door oefening zijn verkregen. Sommige van deze vaardigheden, die moeten worden geleerd door een TCD-operator, omvatten het vermogen om verschillende hersenslagaders te identificeren en de motorische vaardigheden die nodig zijn om de ultrasone sonde nauwkeurig te manipuleren tijdens het zoeken naar de relevante slagader. Het doel van dit methods paper is om een techniek te presenteren voor het gebruik van fTCD om een functioneel imaging experiment uit te voeren. Ten eerste worden de basisstappen voor het identificeren en optimaliseren van het signaal van de MCA, die 80% van de hersenhelft9doordringt, vermeld. Vervolgens wordt de plaatsing van een fixatieapparaat voor het op zijn plaats houden van de TCD-sonde tijdens het experiment beschreven. Ten slotte zal het adem-holding experiment, dat een voorbeeld is van een functioneel beeldvormingsexperiment met fTCD, worden beschreven en zullen representatieve resultaten worden getoond.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritieke stappen in het protocol zijn onder meer 1) het vinden van de MCA, 2) het plaatsen van de hoofdband en 3) het uitvoeren van de adem-holding manoeuvre.
Afhankelijk van de onderwerpen in het onderzoek kunnen aanpassingen nodig zijn. Personen met de ziekte van Alzheimer kunnen bijvoorbeeld moeite hebben met het opvolgen van instructies, waardoor het gebruik van een capnograaf noodzakelijk is om ervoor te zorgen dat de instructies voor het vasthouden van d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit project is gebaseerd op onderzoek dat gedeeltelijk werd ondersteund door het Nebraska Agricultural Experiment Station met financiering uit de Hatch Act (Accession Number 0223605) via het USDA National Institute of Food and Agriculture.
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 |
References
- 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).
