وظيفية عبر الجمجمة دوبلر الموجات فوق الصوتية لرصد تدفق الدم الدماغي
Summary
تكمل الموجات فوق الصوتية الوظيفية عبر الجمجمة دوبلر طرائق التصوير الوظيفية الأخرى ، مع قياسها عالي الدقة الزمنية للتغيرات الناجمة عن التحفيز في تدفق الدم الدماغي داخل الشرايين الدماغية القاعدية. تقدم ورقة الأساليب هذه إرشادات خطوة بخطوة لاستخدام الموجات فوق الصوتية الوظيفية عبر الجمجمة Doppler لإجراء تجربة تصوير وظيفية.
Abstract
الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة الوظيفية (fTCD) هو استخدام الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة (TCD) لدراسة التنشيط العصبي الذي يحدث أثناء المحفزات مثل الحركة الجسدية، وتفعيل أجهزة الاستشعار عن طريق اللمس في الجلد، وعرض الصور. يتم الاستدلال على التنشيط العصبي من زيادة في سرعة تدفق الدم الدماغي (CBFV) التي تزود منطقة الدماغ المشاركة في معالجة المدخلات الحسية. على سبيل المثال، يؤدي عرض الضوء الساطع إلى زيادة النشاط العصبي في الفص القذالي للقشرة الدماغية، مما يؤدي إلى زيادة تدفق الدم في الشريان الدماغي الخلفي، الذي يزود الفص القذالي. في fTCD، يتم استخدام التغيرات في CBFV لتقدير التغيرات في تدفق الدم الدماغي (CBF).
مع قياس الدقة الزمنية العالية لسرعات تدفق الدم في الشرايين الدماغية الرئيسية ، يكمل fTCD تقنيات التصوير الوظيفية الراسخة الأخرى. الهدف من هذه الورقة الأساليب هو إعطاء تعليمات خطوة بخطوة لاستخدام fTCD لإجراء تجربة التصوير الوظيفي. أولا، سيتم وصف الخطوات الأساسية لتحديد الشريان الدماغي الأوسط (MCA) وتحسين الإشارة. بعد ذلك ، سيتم وصف موضع جهاز التثبيت لعقد مسبار TCD في مكانه أثناء التجربة. وأخيرا، سيتم إثبات تجربة حبس الأنفاس، وهي مثال محدد لتجربة تصوير وظيفي باستخدام fTCD.
Introduction
في أبحاث علم الأعصاب، غالبا ما يكون من المستحسن مراقبة نشاط الدماغ في الوقت الحقيقي بشكل غير باضع في مجموعة متنوعة من البيئات. ومع ذلك، فإن طرائق التصوير العصبي الوظيفية التقليدية لها قيود تعوق القدرة على التقاط التغيرات المحلية و/ أو السريعة في النشاط. الدقة الزمنية الحقيقية (غير المتوترة وغير الاستعادية) للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هي حاليا من أجل بضع ثوان1، والتي قد لا تلتقط التغيرات الديناميكية الدموية العابرة المرتبطة بالتنشيط العصبي العابر. في مثال آخر ، على الرغم من أن التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) لديه دقة زمنية عالية (مللي ثانية) ودقة مكانية معقولة ، إلا أنه لا يمكنه التحقيق إلا في التغيرات الديناميكية الدموية داخل قشرة الدماغ ولا يمكنه تقديم معلومات حول التغيرات التي تحدث في الشرايين الأكبر التي تزود الدماغ.
وعلى النقيض من ذلك، يشير التصوير fTCD – المصنف على أنه طريقة تصوير عصبي – إلى أبعاد الزمان والمكان، بدلا من اتجاهين مكانيين متعامدين أكثر دراية في “الصورة”. يوفر fTCD معلومات تكميلية لطرائق التصوير العصبي الأخرى عن طريق قياس التغيرات الديناميكية الدموية عالية الدقة الزمنية (عادة 10 مللي ثانية) في مواقع دقيقة داخل الأوعية من الدورة الدموية الدماغية القاعدية. كما هو الحال مع غيرها من طرائق التصوير العصبي، يمكن استخدام fTCD لمجموعة متنوعة من التجارب مثل دراسة الجانبية للتنشيط الدماغي أثناء المهام المتعلقة باللغة2،3،4، دراسة التنشيط العصبي استجابة لمختلف المحفزات الحسية الجسدية5، واستكشاف التنشيط العصبي في مختلف المحفزات المعرفية مثل المهام البصرية 6 ،المهامالعقلية7، وحتى إنتاج الأداة8.
على الرغم من أن fTCD يوفر العديد من المزايا للاستخدام في التصوير الوظيفي ، بما في ذلك انخفاض تكلفة المعدات ، وقابلية النقل ، وتعزيز السلامة (مقارنة باختبار Wada 3 أو التصوير المقطعي للانبعاثات البوزيترونية [PET] ، فإن تشغيل جهاز TCD يتطلب مهارات يتمالحصول عليها عن طريق الممارسة. بعض هذه المهارات، التي يجب أن يتعلمها مشغل TCD، وتشمل القدرة على تحديد الشرايين الدماغية المختلفة والمهارات الحركية اللازمة للتلاعب بدقة التحقيق بالموجات فوق الصوتية أثناء البحث عن الشريان ذات الصلة. الهدف من هذه الورقة أساليب هو تقديم تقنية لاستخدام fTCD لإجراء تجربة التصوير الوظيفي. أولا، سيتم سرد الخطوات الأساسية لتحديد وتحسين الإشارة من MCA، والتي تتغلغل 80٪ من نصف الكرة الدماغي9. بعد ذلك ، سيتم وصف موضع جهاز التثبيت لعقد مسبار TCD في مكانه أثناء التجربة. وأخيرا، سيتم وصف تجربة حبس الأنفاس، التي تعد أحد الأمثلة على تجربة التصوير الوظيفي باستخدام fTCD، وسيتم عرض النتائج التمثيلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتشمل الخطوات الحاسمة في البروتوكول 1) العثور على MCA، 2) وضع عصابة الرأس، و 3) أداء المناورة لالتقاط الأنفاس.
قد تكون التعديلات ضرورية اعتمادا على الموضوعات في الدراسة. على سبيل المثال، قد يواجه الأشخاص المصابون بمرض الزهايمر صعوبة في اتباع التعليمات، مما ي?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويستند هذا المشروع إلى البحوث التي تم دعمها جزئيا من قبل محطة التجارب الزراعية نبراسكا بتمويل من قانون هاتش (رقم الانضمام 0223605) من خلال المعهد الوطني للأغذية والزراعة وزارة الزراعة الأميركية.
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).
