Serebral Kan Akışını İzlemek için Fonksiyonel Transkraniyal Doppler Ultrason
Summary
Fonksiyonel transkraniyal Doppler ultrason, bazal serebral arterler içindeki serebral kan akışındaki uyaran kaynaklı değişikliklerin yüksek zamansal çözünürlük ölçümü ile diğer fonksiyonel görüntüleme yöntemlerini tamamlar. Bu Yöntemler makalesi, fonksiyonel bir görüntüleme deneyi gerçekleştirmek için fonksiyonel transkraniyal Doppler ultrason kullanmak için adım adım talimatlar verir.
Abstract
Fonksiyonel transkraniyal Doppler ultrason (fTCD), fiziksel hareket, ciltteki dokunsal sensörlerin aktivasyonu ve görüntüleri görüntüleme gibi uyaranlar sırasında meydana gelen nöral aktivasyonu incelemek için transkraniyal Doppler ultrasonun (TCD) kullanılmasıdır. Nöral aktivasyon, duyusal girdinin işlenmesinde rol oynayan beynin bölgesini sağlayan serebral kan akışı hızındaki (CBFV) bir artıştan kaynaklanır. Örneğin, parlak ışığın görüntülenmesi, serebral korteksin oksipital lobunda nöral aktivitenin artmasına neden olur ve oksipital lobu sağlayan arka serebral arterde kan akışının artmasına neden olur. fTCD’de, CBFV’deki değişiklikler serebral kan akışındaki (CBF) değişiklikleri tahmin etmek için kullanılır.
FTCD, ana serebral arterlerdeki kan akışı hızlarının yüksek zamansal çözünürlük ölçümü ile diğer yerleşik fonksiyonel görüntüleme tekniklerini tamamlar. Bu Yöntemler makalesinin amacı, işlevsel bir görüntüleme denemesi gerçekleştirmek için fTCD’yi kullanmak için adım adım yönergeler vermektir. İlk olarak, orta serebral arteri (MCA) tanımlamak ve sinyali optimize etmek için temel adımlar açıklanacaktır. Daha sonra, deney sırasında TCD probunu yerinde tutmak için bir fiksasyon cihazının yerleştirilmesi açıklanacaktır. Son olarak, fTCD kullanılarak yapılan fonksiyonel görüntüleme deneyinin özel bir örneği olan nefes tutma deneyi gösterilecektir.
Introduction
Nörobilim araştırmalarında, çeşitli ortamlarda gerçek zamanlı beyin aktivitesinin noninvaziv olarak izlenmesi sıklıkla arzu edilir. Bununla birlikte, geleneksel fonksiyonel nörogörünte yöntemleri, lokalize ve / veya hızlı aktivite değişikliklerini yakalama yeteneğini engelleyen sınırlamalara sahiptir. Fonksiyonel manyetik rezonans görüntülemenin (fMRI) gerçek (gergin olmayan, geriye dönük olmayan) zamansal çözünürlüğü şu anda geçici nöral aktivasyona bağlı geçici hemodinamik değişiklikleri yakalayamayan birkaç saniye1sırasına sahiptir. Başka bir örnekte, fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) yüksek zamansal çözünürlüğe (milisaniye) ve makul mekansal çözünürlüğe sahip olmasına rağmen, sadece serebral korteks içindeki hemodinamik değişiklikleri araştırabilir ve beyni sağlayan daha büyük arterlerde meydana gelen değişiklikler hakkında bilgi veremez.
Buna karşılık, nörogörüntüleme modalitesi olarak sınıflandırılan fTCD”, bir “görüntüde” daha tanıdık olan iki ortogonal mekansal yön yerine zaman ve uzayın boyutlarını ifade eder. fTCD, bazal serebral dolaşımın damarları içindeki hassas konumlarda yüksek zamansal çözünürlük (tipik olarak 10 ms) hemodinamik değişiklikleri ölçerek diğer nörogörüntüleme yöntemlerine tamamlayıcı bilgiler sağlar. Diğer nörogörüntüleme yöntemlerinde olduğu gibi, fTCD, dille ilgili görevler sırasında serebral aktivasyonun lateralizasyonunu incelemek2,3,4, çeşitli somatosensör uyaranlara yanıt olarak sinirsel aktivasyonu incelemek ve görsel görevler6, zihinsel görevler7ve hatta takım üretimi8gibi çeşitli bilişsel uyaranlarda sinirsel aktivasyonu keşfetmek gibi çeşitli deneyler için kullanılabilir.
fTCD, düşük ekipman maliyeti, taşınabilirlik ve gelişmiş güvenlik (Wada test3 veya pozitron emisyon tomografisi [PET] taramalarına kıyasla) dahil olmak üzere fonksiyonel görüntülemede kullanım için çeşitli avantajlar sunsa da, bir TCD makinesinin çalışması pratikle elde edilen becerileri gerektirir. Bir TCD operatörü tarafından öğrenilmesi gereken bu becerilerden bazıları, çeşitli serebral arterleri tanımlama yeteneğini ve ilgili arteri arama sırasında ultrason probunun hassas bir şekilde manipüle edilmesi için gerekli motor becerileri içerir. Bu Yöntemler makalesinin amacı, işlevsel bir görüntüleme deneyi gerçekleştirmek için fTCD kullanma tekniğini sunmaktır. İlk olarak, serebral yarımküre9’un%80’ini perfüzyona sokabilen MCA’dan gelen sinyali tanımlamak ve optimize etmek için temel adımlar listelenecektir. Daha sonra, deney sırasında TCD probunu yerinde tutmak için bir fiksasyon cihazının yerleştirilmesi açıklanacaktır. Son olarak, fTCD kullanılarak yapılan fonksiyonel görüntüleme deneyinin bir örneği olan nefes tutma deneyi açıklanacak ve temsili sonuçlar gösterilecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokoldeki kritik adımlar arasında 1) MCA’yı bulmak, 2) kafa bandını yerleştirmek ve 3) nefes tutma manevrasını yapmak yer almaktadır.
Çalışmadaki konulara bağlı olarak değişiklikler gerekebilir. Örneğin, Alzheimer hastalığı olan denekler talimatları takip etmekte zorlanabilir, nefes tutma talimatlarına uyulmasını sağlamak için bir capnograph kullanılmasını zorunlu kılabilir15. Küçük çocuklar talimat…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu proje, Nebraska Tarım Deney İstasyonu tarafından USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü aracılığıyla Hatch Yasası’ndan (Katılım Numarası 0223605) finanse edilen kısmen desteklenen araştırmalara dayanmaktadır.
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).
