Funktionell hjärnavbildning med ultraljud Blod-hjärnbarriären störningar och mangan-förstärkt MRT
Summary
En teknik beskrivs för i stort sett öppnande av blod-hjärnbarriären i mus med användning av mikrobubblor och ultraljud. Användning av denna teknik, kan mangan administreras till mushjärna. Eftersom mangan är ett MRI-kontrastmedel som ackumuleras i depolariserade neuroner, möjliggör detta tillvägagångssätt avbildning av neuronal aktivitet.
Abstract
Även möss är den dominerande modellen för att studera de genetiska och molekylära grunderna för neurovetenskap, funktionell neuroimaging i möss är tekniskt utmanande. Ett tillvägagångssätt, Aktiveringsinducerat Mangan-MRT (AIM MRI), har använts framgångsrikt för att kartlägga neuronal aktivitet hos gnagare 1-5. I AIM MRI, Mn 2 + fungerar en kalcium-analog och ackumuleras i depolariserade nervceller 6,7. Eftersom Mn 2 + förkortar T 1 vävnaden egendom, kommer delar av förhöjd neuronal aktivitet ökar vid MRT. Vidare, Mn2 +-rensar långsamt från de aktiverade regionerna, och därför kan stimulering genomföras utanför magneten före avbildning, vilket möjliggör större flexibilitet experimentell. Eftersom Mn 2 + inte lätt passerar blod-hjärnbarriären (BBB), behovet av att öppna blod-hjärnbarriären har begränsat användningen av AIM MRI, speciellt i möss.
Ett verktyg för att öppna BBB är ULTrasound. Även potentiellt skadligt, om ultraljud ges i kombination med gasfyllda mikrobubblor (dvs ultraljud kontrastmedel), är den akustiska tryck som krävs för BBB öppning betydligt lägre. Denna kombination av ultraljud och mikrobubblor kan användas för att tillförlitligt öppna blod-hjärnbarriären utan att orsaka vävnadsskada 8-11.
Här är en metod presenteras för att utföra AIM MRI med hjälp av mikrobubblor och ultraljud för att öppna BBB. Efter en intravenös injektion av perflutren mikrobubblor är en ofokuserad pulsad ultraljudstrålen applicerades på den rakade möss huvudet under 3 minuter. För enkelhetens skull kallar vi denna teknik för BBB Vernissage med mikrobubblor och ultraljud som BOMUS 12. Använda BOMUS att öppna BBB under båda hjärnhalvorna är mangan administreras till hela musen hjärnan. Efter experimentell stimulering av lätt sederade möss, är AIM MRT användas för att kartlägga den neuronala svar.
Tilldemonstrera detta tillvägagångssätt, är häri BOMUS och AIM MRT användas för att kartlägga ensidig mekanisk stimulering av vibrissae i lätt sederade möss 13. Eftersom BOMUS kan öppna blod-hjärnbarriären genom båda hemisfärerna är den ostimulerade sidan av hjärnan som används för att kontrollera icke-specifik bakgrund stimulering. Den resulterande 3D-aktivering kartan stämmer väl överens med publicerade representationer av vibrissae regioner pipan fältet cortex 14. Ultraljud öppning av blod-hjärnbarriären är snabb, icke-invasiv, och reversibel, och sålunda detta tillvägagångssätt är lämpligt för hög genomströmning och / eller längsgående studier på vakna möss.
Protocol
Discussion
Här var en metod fram för icke-invasivt öppna BBB hela musen hjärnan med ultraljud och mikrobubblor (BOMUS). Med BBB öppna, + Mn 2 administrerades och aktivering-inducerad mangan-MRT (AIM MRI) användes för att bilden neuronal svar på kort tid stimulering i lätt sederade möss.
Adekvat BBB öppning uppnåddes med en topp-negativ ljudtryck på 0,36 MPa. Notera är detta tryck vid hårbotten yta i centrum av ultraljudstrålen. Mätningar av den enda element omvand…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Allt arbete utfördes på Duke Center for In Vivo Microscopy, en NIH / NIBIB National Biomedical Technology Resource Center (P41 EB015897) och NCI Small Animal Imaging Resource Program (U24 CA092656). Ytterligare stöd gavs från NSF Graduate Research Fellowship (2003014921).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalog number | Comments |
| Hydrophone | Sonora Medical Systems, Longmont, CA | SN S4-251 | |
| Translation stage | Newport Corporation, Irvine, CA | ||
| Ultrasound transducer | Olympus NDT, Inc., Waltham MA | A306S-SU | Review the manufacturer’s test sheet that accompanies the transducer to find the exact center frequency of that particular transducer, which may differ from the nominal frequency listed in the catalog. (e.g., the nominal frequency of our transducer was 2.25 MHz, but the actual center frequency was 2.15 MHz.) |
| Vevo Imaging Station | VisualSonics, Inc. Toronto, Canada | ||
| 50 dB power amplifier | E&I, Rochester, NY | model 240L | |
| Signal generator | Agilent Technologies, Santa Clara, CA | model 33220A | |
| MnCl2-(H2O)4 | Sigma | Molecular weight varies by batch, call manufacturer for exact measurement | |
| Perflutren lipid microspheres | Lantheus Medical Imaging, N. Billerica, MA | DEFINITY | |
| Microsphere agitator | Lantheus Medical Imaging, N. Billerica, MA | VIALMIX | |
| MR imaging coil | m2m Imaging Corp., Hillcrest, OH | 35 mm diameter quadrature transmit/receive volume coil | |
| MRI system | GE Healthcare, Milwaukee, WI | GE EXCITE console operating a 7-T horizontal bore magnet | |
| Image analysis environment | Visage Imaging, San Diego, CA, MathWorks, Natick MA | Amira MATLAB |
References
- Aoki, I. Detection of the anoxic depolarization of focal ischemia using manganese-enhanced MRI. Magnet. Reson. Med. 50, 7-12 (2003).
- Aoki, I. Dynamic activity-induced manganese-dependent contrast magnetic resonance imaging. DAIM MRI). Magnet. Reson. Med. 48, 927-933 (2002).
- Duong, T. Q., Silva, A. C., Lee, S. P., Kim, S. G. Functional MRI of calcium-dependent synaptic activity: Cross correlation with CBF and BOLD measurements. Magnet. Reson. Med. 43, 383-392 (2000).
- Lin, Y. J., Koretsky, A. P. Manganese ion enhances T-1-weighted MRI during brain activation: An approach to direct imaging of brain function. Magnet. Reson. Med. 38, 378-388 (1997).
- Lu, H. B. Cocaine-induced brain activation detected by dynamic manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI). P. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 2489-2494 (2007).
- Drapeau, P., Nachshen, D. A. Manganese fluxes and manganese-dependent neurotransmitter release in presynaptic nerve-endings isolated from rat-brain. J. Physiol-London. 348, 493-510 (1984).
- Narita, K., Kawasaki, F., Kita, H. Mn and Mg influxes through Ca channels of motor-nerve Terminals are prevented by verapamil in Frogs. Brain Res. 510, 289-295 (1990).
- Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220, 640-644 (2001).
- Sheikov, N., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F., Hynynen, K. Cellular mechanisms of the blood-brain barrier opening induced by ultrasound in presence of microbubbles. Ultrasound Med. Biol. 30, 979-989 (2004).
- McDannold, N., Vykhodtseva, N., Raymond, S., Jolesz, F. A., Hynynen, K. MRI-guided targeted blood-brain barrier disruption with focused ultrasound: Histological findings in rabbits. Ultrasound Med. Biol. 31, 1527-1537 (2005).
- McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Targeted disruption of the blood-brain barrier with focused ultrasound: association with cavitation activity. Phys. Med. Biol. 51, 793-807 (2006).
- Howles, G. P. Contrast-enhanced in vivo magnetic resonance microscopy of the mouse brain enabled by noninvasive opening of the blood-brain barrier with ultrasound. Magnet. Reson. Med. 64, 995-1004 (2010).
- Howles, G. P., Qi, Y., Johnson, G. A. Ultrasonic disruption of the blood-brain barrier enables in vivo functional mapping of the mouse barrel field cortex with manganese-enhanced MRI. Neuroimage. 50, 1464-1471 (2010).
- Woolsey, T. A., Welker, C., Schwartz, R. H. Comparative anatomical studies of sml face cortex with special reference to occurrence of barrels in layer-4. J. Comp. Neurol. 164, 79-94 (1975).
- Howles, G. P., Nouls, J. C., Qi, Y., Johnson, G. A. Rapid production of specialized animal handling devices using computer-aided design and solid freeform fabrication. J. Magnet. Reson. Imag. 30, 466-471 (2009).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Cross, D. J. Statistical mapping of functional olfactory connections of the rat brain in vivo. Neuroimage. 23, 1326-1335 (2004).
- Venot, A., Lebruchec, J. F., Golmard, J. L., Roucayrol, J. C. An automated-method for the normalization of scintigraphic images. J. Nucl. Med. 24, 529-531 (1983).
- Aoki, I., Naruse, S., Tanaka, C. Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) of brain activity and applications to early detection of brain ischemia. Nmr. Biomed. 17, 569-580 (2004).
- Welker, E., Vanderloos, H. Quantitative correlation between barrel-field size and the sensory innervation of the whiskerpad – a comparative-study in 6 strains of mice bred for different patterns of mystacial vibrissae. J. Neurosci. 6, 3355-3373 (1986).
- McCasland, J. S., Woolsey, T. A. High-resolution 2-deoxyglucose mapping of functional cortical columns in mouse barrel cortex. J. Comp. Neurol. 278, 555-569 (1988).
- Irwin, S. Comprehensive observational assessment : A systematic quantitative procedure for assessing behavioral and physiologic state of mouse. Psychopharmacologia. 13, 222-257 (1968).
- Choi, J. J., Pernot, M., Small, S. A., Konofagou, E. E. Noninvasive, transcranial and localized opening of the blood-brain barrier using focused ultrasound in mice. Ultrasound Med. Biol. 33, 95-104 (2007).
- McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Use of ultrasound pulses combined with definity for targeted blood-brain barrier disruption: A feasibility study. Ultrasound Med. Biol. 33, 584-590 (2007).
- Silva, A. C., Lee, J. H., Aoki, L., Koretsky, A. R. Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI): methodological and practical considerations. Nmr. Biomed. 17, 532-543 (2004).
- Meiri, U., Rahamimoff, R. Neuromuscular transmission – inhibition by manganese ions. Science. 176, 308 (1972).
- Aschner, M., Guilarte, T. R., Schneider, J. S., Zheng, W. Manganese: Recent advances in understanding its transport and neurotoxicity. Toxicol. Appl. Pharm. 221, 131-147 (2007).
- Watanabe, T., Frahm, J., Michaelis, T. Manganese-enhanced MRI of the mouse auditory pathway. Magnet. Reson. Med. 60, 210-212 (2008).
- Yu, X., Wadghiri, Y. Z., Sanes, D. H., Turnbull, D. H. In vivo auditory brain mapping in mice with Mn-enhanced MRI. Nat. Neurosci. 8, 961-968 (2005).
- Yu, X. Statistical mapping of sound-evoked activity in the mouse auditory midbrain using Mn-enhanced MRI. Neuroimage. 39, 223-230 (2008).
