Функциональные нейровизуализации с использованием ультразвуковых Гематоэнцефалический Разрушение барьеров и марганца-МРТ
Summary
Описана методика для широкого открытия гематоэнцефалического барьера у мышей использованием микропузырьков и ультразвука. Используя эту технику, марганца могут быть введены в мозг мыши. Поскольку марганец МРТ контрастом, который накапливается в деполяризованной нейронов, этот подход позволяет визуализации нейронной активности.
Abstract
Хотя мышей являются доминирующими модельной системой для изучения генетических и молекулярных основ неврологии, функциональной нейровизуализации у мышей остается технически сложным. Один подход, активация Индуцированные Марганец-МРТ (AIM МРТ), успешно используется для отображения нейронной активности у грызунов 1-5. В AIM МРТ, Mn 2 + действует кальция аналоговых и накапливается в деполяризованной нейронов 6,7. Потому что Mn 2 + сокращает T 1 тканей собственности, регионы повышенной активности нейронов повысят в МРТ. Кроме того, Mn 2 + очищает медленно активированных регионах, поэтому стимуляция может осуществляться за пределами магнита до изображения, что обеспечивает повышенную гибкость экспериментальной. Однако, поскольку Mn 2 + с готовностью не пересекает гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), необходимо, чтобы открыть BBB ограничил использование AIM МРТ, особенно у мышей.
Одним из инструментов для открытия BBB является ииrasound. Хотя потенциально опасных, если ультразвук применяют в сочетании с газовых микропузырьков (например, агенты ультразвукового контраста), звуковое давление, необходимое для открытия BBB значительно ниже. Такое сочетание ультразвука и микропузырьков может быть использован для надежного открытия BBB, не вызывая повреждения тканей 8-11.
Здесь представлен метод для выполнения AIM МРТ с использованием микропузырьков и ультразвука, чтобы открыть BBB. После внутривенного введения микропузырьков perflutren, сфокусировано импульсного ультразвукового луча наносится на бритые головы мыши в течение 3 минут. Для простоты мы называем эту технику Открытие BBB с микропузырьков и ультразвука BOMUS 12. Использование BOMUS открыть BBB протяжении обоих полушарий головного мозга, марганца вводят весь мозг мыши. После экспериментальной стимуляции слегка седативные мышей, AIM МРТ используется для отображения нейронов ответ.
Кпродемонстрировать этот подход, в этом BOMUS и AIM МРТ используется для отображения одностороннем механическое раздражение вибриссы в легкие седативные мышей 13. Потому что BOMUS может открыть BBB всей обоих полушариях, нестимулированных часть мозга используется для контроля за неспецифической стимуляции фона. Полученные 3D-карта активации хорошо согласуется с опубликованными представления вибрисс регионов баррель поле коры 14. Ультразвуковой открытие BBB быстрый, неинвазивный, и обратимым, и, следовательно, этот подход подходит для высокой пропускной способности и / или продольных исследованиях у бодрствующих мышей.
Protocol
Discussion
Здесь был предложен метод для неинвазивного открытия BBB всей мозг мыши с помощью ультразвука и микропузырьков (BOMUS). С BBB открытым, Mn 2 + вводили и активации вызванные марганцем МРТ (AIM МРТ) был использован для изображений нейронов ответ на кратковременное возбуждение в легкие седати…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Все работы были выполнены на герцога центра в Vivo микроскопии, NIH / NIBIB национальных биомедицинских технологий ресурсный центр (P41 EB015897) и NCI мелких животных изображений ресурсов программы (U24 CA092656). Дополнительная поддержка была оказана из NSF Высшее исследовательский грант (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).
