Funksjonell transkraniell doppler ultralyd for overvåking cerebral blodstrøm

Summary

Funksjonell transkraniell Doppler ultralyd utfyller andre funksjonelle avbildningsmodaliteter, med sin høye temporale oppløsningsmåling av stimulusinduserte endringer i cerebral blodstrøm i basale cerebral arterier. Dette metodepapiret gir trinnvise instruksjoner for bruk av funksjonell transkraniell Doppler ultralyd for å utføre et funksjonelt bildebehandlingseksperiment.

Abstract

Funksjonell transkraniell Doppler ultralyd (fTCD) er bruk av transkraniell Doppler ultralyd (TCD) for å studere nevral aktivering som oppstår under stimuli som fysisk bevegelse, aktivering av taktile sensorer i huden, og visning av bilder. Nevral aktivering er utledet fra en økning i cerebral blodstrømshastighet (CBFV) som forsyner hjernens region som er involvert i behandling av sensoriske innganger. For eksempel forårsaker visning av sterkt lys økt nevral aktivitet i oksipital lobe av hjernebarken, noe som fører til økt blodstrøm i bakre cerebral arterie, som leverer oksipital lobe. I fTCD brukes endringer i CBFV til å estimere endringer i cerebral blodstrøm (CBF).

Med sin høye temporale oppløsningsmåling av blodstrømshastigheter i de store hjernearteriene, kompletterer fTCD andre etablerte funksjonelle avbildningsteknikker. Målet med dette metodepapiret er å gi trinnvise instruksjoner for bruk av fTCD for å utføre et funksjonelt bildebehandlingseksperiment. For det første vil de grunnleggende trinnene for å identifisere den midterste cerebral arterien (MCA) og optimalisere signalet bli beskrevet. Deretter vil plassering av en fikseringsenhet for å holde TCD-sonden på plass under eksperimentet bli beskrevet. Til slutt vil det pustende eksperimentet, som er et spesifikt eksempel på et funksjonelt bildebehandlingseksperiment ved hjelp av fTCD, bli demonstrert.

Introduction

I nevrovitenskapelig forskning er det ofte ønskelig å overvåke hjerneaktivitet i sanntid ikke-invasivt i en rekke miljøer. Konvensjonelle funksjonelle nevroimaging modaliteter har imidlertid begrensninger som hindrer evnen til å fange lokaliserte og / eller raske aktivitetsendringer. Den sanne (ikke-jittered, ikke-retrospektive) temporale oppløsningen av funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) er for tiden i størrelsesorden noen få sekunder¹, som kanskje ikke fanger opp forbigående hemodynamiske endringer knyttet til forbigående nevral aktivering. I et annet eksempel, selv om funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) har høy temporal oppløsning (millisekunder) og rimelig romlig oppløsning, kan den bare sondere hemodynamiske endringer i hjernebarken og kan ikke gi informasjon om endringer som skjer i de større arteriene som forsyner hjernen.

I motsetning refererer fTCD – klassifisert som en nevroimaging modalitet – “avbildning” til dimensjonene på tid og rom, i stedet for to ortogonale romlige retninger som er mer kjent i et “bilde”. fTCD gir komplementær informasjon til andre nevroimaging modaliteter ved å måle høy temporal oppløsning (vanligvis 10 ms) hemodynamiske endringer på presise steder innenfor kar av basal cerebral sirkulasjon. Som med andre nevroimaging modaliteter, fTCD kan brukes til en rekke eksperimenter som å studere lateralisering av cerebral aktivering under språkrelaterte oppgaver^2,3,4, studere nevral aktivering som svar på ulike somatosensoriske stimuli⁵, og utforske nevral aktivering i ulike kognitive stimuli som visuelle oppgaver⁶, mentale oppgaver⁷, og til og med verktøyproduksjon⁸.

Selv om fTCD tilbyr flere fordeler for bruk i funksjonell avbildning, inkludert lave kostnader for utstyr, bærbarhet og forbedret sikkerhet (sammenlignet med Wada test³ eller positron utslipp tomografi [PET] skanninger), krever drift av en TCD-maskin ferdigheter oppnådd ved praksis. Noen av disse ferdighetene, som må læres av en TCD-operatør, inkluderer evnen til å identifisere ulike cerebral arterier og motoriske ferdigheter som er nødvendige for å nøyaktig manipulere ultralydsonden under søket etter den aktuelle arterien. Målet med dette metodepapiret er å presentere en teknikk for bruk av fTCD for å utføre et funksjonelt bildebehandlingseksperiment. For det første vil de grunnleggende trinnene for å identifisere og optimalisere signalet fra MCA, som parfymerer 80% av hjernehalvøya⁹, bli oppført. Deretter vil plassering av en fikseringsenhet for å holde TCD-sonden på plass under eksperimentet bli beskrevet. Til slutt vil det pustende eksperimentet, som er et eksempel på et funksjonelt bildebehandlingseksperiment ved hjelp av fTCD, bli beskrevet, og representative resultater vil bli vist.

Protocol

All menneskelig fagforskning ble utført i samsvar med Institutional Review Board ved University of Nebraska-Lincoln, og informert samtykke ble innhentet fra alle. 1. Lokalisering av MCA-signalet ved frihånds TCD MERK: “Freehand” TCD refererer til drift av TCD med en håndholdt svinger for å finne et CBFV-signal før du begynner et fTCD-eksperiment. Angi TCD-parametere Hold strømmen til en rimelig høy verdi (f.eks. 400 mW) under det første sø…

Representative Results

Figur 3 viser prøve-Doppler-spektra- og farge-M-moduser fra midtpunktet i M1-segmentet i MCA. Figur 3A,B ble tatt i samme posisjon i hodebunnen, men i forskjellige vinkler. Legg merke til hvordan en svært liten endring i vinkel, uten å endre kontaktposisjonen i hodebunnen, i stor grad kan forbedre Doppler-signalstyrken, som vist ved høyere intensitet gul farging av spektrogrammet i figur 3B. Vær også …

Discussion

Kritiske trinn i protokollen inkluderer 1) å finne MCA, 2) plassere hodebåndet, og 3) utføre den pustende manøveren.

Modifikasjoner kan være nødvendig avhengig av fagene i studien. For eksempel kan personer med Alzheimers sykdom ha problemer med å følge instruksjonene, noe som nødvendiggjør bruk av en kapnograf for å sikre overholdelse av pusteinstruksjoner¹⁵. Små barn kan ha problemer med å følge instruksjonene og kan væ…

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