Ecografia doppler transcranici funzionale per il monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale
Summary
L’ecografia Doppler transcraniale funzionale integra altre modalità di imaging funzionale, con la sua misurazione ad alta risoluzione temporale dei cambiamenti indotti dallo stimolo nel flusso sanguigno cerebrale all’interno delle arterie cerebrali basali. Questo documento sui metodi fornisce istruzioni dettagliate per l’utilizzo di ultrasuoni Doppler transcranici funzionali per eseguire un esperimento di imaging funzionale.
Abstract
L’ecografia Doppler transcraniale funzionale (fTCD) è l’uso dell’ecografia Doppler transcranico (TCD) per studiare l’attivazione neurale che si verifica durante stimoli come il movimento fisico, l’attivazione di sensori tattili nella pelle e la visualizzazione di immagini. L’attivazione neurale è dedotta da un aumento della velocità del flusso sanguigno cerebrale (CBFV) che fornisce la regione del cervello coinvolta nell’elaborazione dell’input sensoriale. Ad esempio, la visualizzazione di luce intensa provoca un aumento dell’attività neurale nel lobo occipitale della corteccia cerebrale, portando ad un aumento del flusso sanguigno nell’arteria cerebrale posteriore, che fornisce il lobo occipitale. In fTCD, i cambiamenti in CBFV sono utilizzati per stimare i cambiamenti nel flusso sanguigno cerebrale (CBF).
Con la sua misurazione ad alta risoluzione temporale delle velocità del flusso sanguigno nelle principali arterie cerebrali, fTCD integra altre tecniche di imaging funzionale consolidate. L’obiettivo di questo documento sui metodi è fornire istruzioni dettagliate per l’utilizzo di fTCD per eseguire un esperimento di imaging funzionale. In primo luogo, verranno descritti i passaggi di base per identificare l’arteria cerebrale media (MCA) e ottimizzare il segnale. Successivamente, verrà descritto il posizionamento di un dispositivo di fissazione per tenere la sonda TCD in posizione durante l’esperimento. Infine, verrà dimostrato l’esperimento di mantenimento del respiro, che è un esempio specifico di un esperimento di imaging funzionale che utilizza fTCD.
Introduction
Nella ricerca neuroscientifica, è spesso auspicabile monitorare l’attività cerebrale in tempo reale in modo non invasivo in una varietà di ambienti. Tuttavia, le modalità di neuroimaging funzionale convenzionali hanno limitazioni che impediscono la capacità di catturare cambiamenti di attività localizzati e / o rapidi. La vera risoluzione temporale (non nervosa, non retrospettiva) della risonanza magnetica funzionale (fMRI) è attualmente dell’ordine di pochi secondi1, che potrebbe non catturare cambiamenti emodinamici transitori legati all’attivazione neurale transitoria. In un altro esempio, sebbene la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) abbia un’alta risoluzione temporale (millisecondi) e una ragionevole risoluzione spaziale, può solo sondare i cambiamenti emodinamici all’interno della corteccia cerebrale e non può fornire informazioni sui cambiamenti che si verificano nelle arterie più grandi che alimentano il cervello.
Al contrario, fTCD – classificato come una modalità di neuroimaging – “imaging” si riferisce alle dimensioni del tempo e dello spazio, piuttosto che a due direzioni spaziali ortogonali che sono più familiari in una “immagine”. fTCD fornisce informazioni complementari ad altre modalità di neuroimaging misurando cambiamenti emodinamici ad alta risoluzione temporale (tipicamente 10 ms) in posizioni precise all’interno dei vasi della circolazione cerebrale basale. Come con altre modalità di neuroimaging, fTCD può essere utilizzato per una varietà di esperimenti come lo studio della lateralizzazione dell’attivazione cerebrale durante i compiti legati al linguaggio2,3,4, lo studio dell’attivazione neurale in risposta a vari stimoli somatosensoriali5e l’esplorazione dell’attivazione neurale in vari stimoli cognitivi come compiti visivi6, compiti mentali7e persino produzione di strumenti8.
Sebbene fTCD offra diversi vantaggi per l’uso nell’imaging funzionale, tra cui basso costo delle apparecchiature, portabilità e maggiore sicurezza (rispetto al test Wada3 o alle scansioni di tomografia a emissione di positroni [PET]), il funzionamento di una macchina TCD richiede competenze ottenute con la pratica. Alcune di queste abilità, che devono essere apprese da un operatore TCD, includono la capacità di identificare varie arterie cerebrali e le capacità motorie necessarie per manipolare con precisione la sonda ad ultrasuoni durante la ricerca dell’arteria pertinente. L’obiettivo di questo documento sui metodi è quello di presentare una tecnica per l’utilizzo di fTCD per eseguire un esperimento di imaging funzionale. In primo luogo, verranno elencati i passaggi di base per identificare e ottimizzare il segnale dall’MCA, che perfonde l’80% dell’emisfero cerebrale9. Successivamente, verrà descritto il posizionamento di un dispositivo di fissazione per tenere la sonda TCD in posizione durante l’esperimento. Infine, verrà descritto l’esperimento di mantenimento del respiro, che è un esempio di un esperimento di imaging funzionale che utilizza fTCD, e verranno mostrati risultati rappresentativi.
Protocol
Representative Results
Discussion
I passaggi critici nel protocollo includono 1) trovare l’MCA, 2) posizionare l’archetto e 3) eseguire la manovra di mantenimento del respiro.
Possono essere necessarie modifiche a seconda dei soggetti dello studio. Ad esempio, i soggetti con malattia di Alzheimer possono avere difficoltà a seguire le istruzioni, rendendo necessario l’uso di un capnografo per garantire la conformità con le istruzioni di mantenimento del respiro15. I ba…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo progetto si basa su una ricerca che è stata parzialmente sostenuta dalla Nebraska Agricultural Experiment Station con finanziamenti dall’Hatch Act (Numero di adesione 0223605) attraverso l’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 |
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