Non-invaziv parankim, Vasküler ve Metabolik Yüksek frekanslı ultrason ve foto akustik Sıçan Derin Beyin Görüntüleme
Summary
The present work describes a new protocol to perform non-invasive high-frequency ultrasound and photoacoustic based imaging on rat brain, to efficiently visualize deep subcortical regions and their vascular patterns by directing signals on skull foramina naturally present on animal cranium.
Abstract
Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central nervous system of small animals. However, transdermal and transcranial neuroimaging is frequently affected by low sensitivity, image aberrations and loss of space resolution, requiring scalp or even skull removal before imaging. To overcome this challenge, a new protocol is presented to gain significant insights in brain hemodynamics by photoacoustic and high-frequency ultrasounds imaging with the animal skin and skull intact. The procedure relies on the passage of ultrasound (US) waves and laser directly through the fissures that are naturally present on the animal cranium. By juxtaposing the imaging transducer device exactly in correspondence to these selected areas where the skull has a reduced thickness or is totally absent, one can acquire high quality deep images and explore internal brain regions that are usually difficult to anatomically or functionally describe without an invasive approach. By applying this experimental procedure, significant data can be collected in both sonic and optoacoustic modalities, enabling to image the parenchymal and the vascular anatomy far below the head surface. Deep brain features such as parenchymal convolutions and fissures separating the lobes were clearly visible. Moreover, the configuration of large and small blood vessels was imaged at several millimeters of depth, and precise information were collected about blood fluxes, vascular stream velocities and the hemoglobin chemical state. This repertoire of data could be crucial in several research contests, ranging from brain vascular disease studies to experimental techniques involving the systemic administration of exogenous chemicals or other objects endowed with imaging contrast enhancement properties. In conclusion, thanks to the presented protocol, the US and PA techniques become an attractive noninvasive performance-competitive means for cortical and internal brain imaging, retaining a significant potential in many neurologic fields.
Introduction
Inceden küçük hayvanların merkezi sinir sisteminde beyin hemodinamiklerinin özelliklerini tanımlamak için Stratejiler sinirbilimin 1-3 alanını ilerlemek için ihtiyaç vardır. sunulan tekniği vasküler biyoloji, düzenleme ve işlevini incelemek amacıyla küçük hayvan beyne noninvaziv akustik ve foto akustik görüntüleme gerçekleştirmek için nasıl gösterir.
Optik görüntüleme teknikleri nöral aktivitenin 2,4-5 ilgili olayların lokalizasyonu izin ve aynı anda hem oksijenli ve olmayan oksijenli devletlerin 6 hemoglobin tarafından üretilen sinyalleri kazanır. Ancak, fotonik emilimi ve saçılma, saf optik görüntüleme kötü uzaysal çözünürlüğü ve sınırlı doku penetrasyon derinliği 7-8 muzdarip. Tersine, akustik yüksek alan uzaysal çözünürlüğü ile derin görüntüleme gerçekleştirmek için fırsat sunuyoruz, ama benek ve sınırlı kontrast 9-11 tarafından engellenmektedir. Fotonik wi özelliklerini birleştirerekultrason inci, foto akustik tekniği görüntüleme ve tek yöntemlerin 12-16 teşhis potansiyellerini hem geliştirir.
Beynin fotoakustik görüntüleme nörobiyolojisinde birden soruları aydınlatmak potansiyeline sahiptir, ancak, doğal dramatik, encephalon korur fotonik ve ultrasonik doku penetrasyonu 17-19 sınırlandıran takke. Ayrıca, kemikler duyarlılık ve görüntü sapmaları 17-18 kaybına neden ışık ve ses hem saçılmasını teşvik. Sonuç olarak, beyin ultrasonik ve foto akustik görüntüleme kolayca önce kemikleşme 20 yenidoğan hayvanlar üzerinde yapılan, ancak yetişkin beynin derin anatomisi ve fizyolojisi, sadece kraniotomi 21,22 sonra açıkça erişilebilir olabilir. Ne yazık ki, kafatası kaldırılması için gerekli cerrahi teknik sert ve etkileri bazı deneysel amaçlar böylece nöral hastalığın ilerlemesini izlemek için zor yapmak için zararlı olabilirzamanla aynı hayvan. Bu nedenle, küçük hayvan modellerinde görüntü derin beyin biyoloji için invazif olmayan bir yöntem arzu edilmektedir. Literatürde foton çöp 17'ye ait metot telefon kaybını azaltmak ve gürültü oranında (SNR) ve hedefin kontrast foto akustik sinyali geliştirmek, sağlam kafatası yoluyla geçirgenliği artırmak için bir yol olarak rapor edilir.
sunulan protokol, herhangi invaziv cerrahi olmadan (özellikle fareler üzerinde) araştırma kullanım kemirgenler üzerinde subkortikal beyin akustik ve foto akustik görüntüleme için güvenilir bir yöntem sağlamaktır. işlem yüksek frekanslı ultrason ve foto akustik görüntüleme için taşınabilir nakleden cihazların kullanımına dayanmaktadır. Buna karşılık görüntüleme teknolojisi 23, taşınabilir ve 24 doğal azaltılmış kalınlıkta özel kafatası bölgelerin seçilmesine olanak tanır yönlü transdüserlerini tomografik, çatlaklar veya scissures olarak adlandırılan. omurgalı a mevcut büyük yarıklar (foramen)Nimal kafatası vücudun diğer bölgelerinde iç encephalon devreleri bağlama sinir demetlerini, gemi veya diğer yapıların bulmak için gereklidir. büyük yarıklar ultrason dalgaları ve lazer için özel geçişleri olarak yararlanılabilir farklı büyüklükte kemik açıklıklar bulunmaktadır. Böyle hedeflenen görüntüleme, kemik arayüzleri neden dalga yansıma etkilerini azaltır ve görüntüleme penetrasyon derinliğini artırarak hassasiyeti arttırır. Bu perspektifte, görüntüleme dönüştürücü bu alanlarda ultrason ve fotonik kirişler maksimum yakınsama amacıyla, zamansal ve kafatası (Şekil 1) oksipital tarafında bulunan yarıkların dik olarak düzenlenebilir. Her iki Bu yönelim sinyal kalitesini artırır ve diğer kranial yönelimlere göre bir ince kemik tabakası ile devam sinyali zorlar. Böylece, iletilen ve yansıyan dalgalar derin kaynaklanan yoğun sinyallerin toplanmasını sağlayan, saçılma düşük derecede maruzdoku tabakaları. Başka ameliyat gerekli ise önceki prosedürleri aksine, bu deneysel ayar, sadece hayvan kafa tıraş gerektirir.
Önerilen protokol ile, görüntüleme, hem özel referans anatomik yapılar ve sanat yöntemlerinin mevcut durumu daha derin kan damarları, hayvan derisi ve kafatası sağlam kalır tüm süre açığa nispeten yüksek uzaysal çözünürlükte yapılır. Benzersiz koronal ve aksiyel görüntüler foto akustik görüntüleme paralel olarak çeşitli ultrasonik görüntüleme yöntemleri edinim (B, Power Doppler, Renkli Doppler, darbeli Dalga Modu) istismar ederek elde edilebilir. Parametrelerin uzun bir repertuarı kan dolaşımı dinamiklerini etkileyen özellikleri bir bütün koleksiyonu yanında parankimal ve vasküler anatomi tasviri sağlayan, bu görüntüleri elde edilebilir. Bu protokol, Yüksek Frekans Ultrasonik B Modu modalitesi, baziler ve internal karotid arter (görüntü temel kortikal parankima özellikleri kullanılabilirWillis Çemberi oluşturan BA ve ICA sırasıyla), Orta Serebral Arter (MCA) ve dolaşım aparatın diğer detaylar. Ayrıca, kan akımı ölçümü, akış hızları, yön hareket açıklamasını ve oksijen doygunluğu verileri ortalama derin beyin bölgelerine kortikal alınabilir.
Bu yeni strateji, çeşitli uygulamalar için büyük bir potansiyele sahiptir ve çeşitli patolojiler çok önemli olan derin beyin özelliklerini tasvir güvenilir prosedürler için acil ihtiyaç karşılar. Ayrıca, çünkü onun minimal invaziv ve sunulan protokol, merkezi sinir sistemi üzerinde sayısız olası görüntüleme çalışmaları, uzun süreli izleme gerektiren veya hassas patolojik hayvan modelleri içeren özellikle de etkinleştirebilirsiniz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan protokol küçük hayvanlarda yüksek oranda etkili beyin görüntüleme performans sağlamak için optimize edilmiştir. Görüntüler tam satın alma parametreleri ve kafatası foraminaya üzerindeki dönüştürücü konumlandırma hakkında göstergeler takip ederek farklı modaliteleri de elde edilebilir. ABD ve lazer doğru oksipital bir daha küçük foramen nüfuz mümkün olduğunca açık merkezli sahip olduğundan, özellikle, zamansal tarafında konumlandırılması, en çok önemlidir. Yine, bu deneysel ortamda sayesinde, fizyolojik ya da patolojik yarışmalar ile ilgili hemodinamik özellikleri erişilebilir ve hatta genellikle karakterize etmek zor derin beyin bölgelerinde, değerlendirilebilir.
Başarılı görüntü elde etme dönüştürücü konumlandırma doğruluğuna bağlıdır beri, bu bağımlılık da görüntüleme performansını etkileyebilir, çünkü dikkatli dikkate alınmalıdır. Örneğin,ilgi bazı anatomik yapılar tamamen satın alma görüntüleme düzlemi ve optimal neden olabilir sadece kısmi bir vizyon sunan görüntüleri kendi kimlik dahil değildir olabilir. Bu, önceden belirlenmiş bir otomatize edilmiş bir yol boyunca hareket ettirmek için azaltıcı gerektirir Dahası, üç boyutlu bir yöntemi (3D Mod) gerçekleştirilen bir ABD ve PA görüntüleme elde edilmesi, daha önce tarif edilen deneysel ortamda uyumlu değildir olacaktır. Son olarak, bağlı doğal anatomik değişkenlik, kafatası açıklıklarının boyutu önemli ölçüde, hayvanlar arasında değişebilir ve böylece satın alma sürecinde öngörülemeyen yansımaları olan. Bu durum, her bireyin özelliklerine görüntü kalitesi bağımlı hale getirir. Sonuç olarak, imkansızlık deneysel protokol tasarlarken dikkat edilmesi gereken bazı hayvanlara bu stratejiyi uygulamak için.
Özellikle, dikkate değer bir ilgi nedeniyle belirlenmesinde onun temel rolü, hemodinami yöneliktirSistemik uygulama, 28-29 sonra ilaçlar veya diğer dış kaynaklı moleküllerin biyolojik dağılım. Moleküler Görüntüleme alanında uygulamalı etkileri ultrason indüklemeli BBB açıklığı 30 gerektiren görüntü izlenen ilaç verme çalışmalara kan havuzu görüntüleme kontrast ajanları doğrulama kadar çoktur. Bu araştırma amaçlı Bütün kesinlikle herhangi bir ek ameliyat olmadan, ölüm veya istenmeyen yan etkilerin riski önemli ölçüde azalır ve aynı hayvan modellerinde uzun süreli izleme mümkün olduğunu, düşünüyor protokol, minimal invaziv yararlanacaktır.
Özetle, sunulan protokol verimli görüntü ve doğru anatomik topografya ve araştırma kullanımı, hayvan modellerinde normal veya patolojik beyin dokularının vasküler desen yorumlamak uygulayıcısı sağlayacaktır. Mevcut yöntemler özellikle kortikal görüntüleme 25-27 tomografi ile sınırlı iken, bu ayar fırsatı t veriro hem ABD ve PA görüntüleme tarafından sağlanan avantajlar birleştirerek, derin beyin fizyolojisi etkileyen çeşitli işlemleri açıklamaktadır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| High frequency ultrasound and photoacoustic imaging station (VEVO LAZR 2100 system) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | ||
| Vevo Compact Dual Anesthesia System (Tabletop Version) | FUJIFILM VisualSonics Inc. | http://www.visualsonics.com/anesthesiasystem#sthash.opODt Sht.dpuf |
|
| Ultrasound Transmission Gel (Aquasonic 100) | PARKER LABORATORIES INC. | 01-08 | http://www.parkerlabs.com/aquasonic-100.asp |
| Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories | Three helathy 6-weeks old Sprague-Dawley rats were purchased by Charles River Laboratories and kept in standard housing (12 h light-dark cycles) with a standard rodent chow and water available ad libitum. Provided by: http://www.criver.com/ |
References
- Bestmann, S., Feredoes, E. Combined neurostimulation and neuroimaging in cognitive neuroscience: past, present, and future. Ann N Y Acad Sci. 1296, 11-30 (1111).
- Kim, S. A., Jun, S. B. In-vivo Optical Measurement of Neural Activity in the Brain. Exp Neurobio. 22 (3), 158-166 (2013).
- Silva, G. A. Nanotechnology approaches to crossing the blood-brain barrier and drug delivery to. the CNS.BMC Neurosci. 9, S4 (2008).
- Stemmer, N., Mehnert, J., Steinbrink, J., Wunder, A. Noninvasive fluorescence imaging in animal models of stroke. Curr Med Chem. 19 (28), 4786-4793 (2012).
- Frohman, E. M., Fujimoto, J. G., Frohman, T. C., Calabresi, P. A., Cutter, G., Balcer, L. J. Optical coherence tomography: a window into the mechanisms of multiple sclerosis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (12), 664-675 (2008).
- Liao, L. D., et al. Neurovascular coupling: in vivo optical techniques for functional brain imaging. Biomed Eng Online. , 12-38 (2013).
- Youn, H., Hong, K. J. In vivo Noninvasive Small Animal Molecular Imaging. Osong Public Health Res Perspect. 3 (1), 48-59 (2012).
- Miyawaki, A.Fluorescence imaging in the last two decades. Microscopy (Oxf). 62 (1), 63-68 (1093).
- Feldman, M. K., Katyal, S., Radiographics Blackwood, M. S. U. S. a. r. t. i. f. a. c. t. s. . 29 (4), 1179-1189 (1148).
- Postema, M., Gilja, O. H. Contrast-enhanced and targeted ultrasound. World J Gastroenterol. 17 (1), 28-41 (2011).
- Zacharatos, H., Hassan, A. E., Qureshi, A. I. Intravascular ultrasound: principles and cerebrovascular applications. AJNR Am J Neuroradiol. 31 (4), 586-597 (2010).
- Li, C., Wang, L. V. Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine. Phys Med Biol. 54 (19), R59-R97 (2009).
- Kim, C., Favazza, C., Wang, L. V. In vivo photoacoustic tomography of chemicals: high-resolution functional and molecular optical imaging at new depths. Chem Rev. 110 (5), 2756-2782 (2010).
- Hu, S., Wang, L. V. Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature. J Biomed Opt. 15 (1), (2010).
- Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance. Trends Biotechnol. 29 (5), 213-221 (2011).
- Pysz, M. A., Gambhir, S. S., Willmann, J. K. Molecular imaging: current status and emerging strategies. Clin Radiol. 65 (7), 500-517 (2010).
- Nie, L., Cai, X., Maslov, K., Garcia-Uribe, A., Anastasio, M. A., Wang, L. V. Photoacoustic tomography through a whole adult human skull with a photon recycler. J Biomed Opt. 17 (11), (2012).
- Huang, C., et al. Aberration correction for transcranial photoacoustic tomography of primates employing adjunct image data. J Biomed Opt. 17 (6), (2012).
- Nie, L., Guo, Z., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of monkey brain using virtual point ultrasonic transducers. J Biomed Opt. 16 (7), (2011).
- Guevara, E., et al. Imaging of an inflammatory injury in the newborn rat brain with photoacoustic tomography. PLoS On. 8 (12), (2013).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic Microscopy. Laser Photon Rev. 7 (5), (2013).
- Liu, Y., et al. Assessing the effects of norepinephrine on single cerebral microvessels using optical-resolution photoacoustic microscope. J Biomed Opt. 18 (7), (2013).
- Xia, J., et al. Whole-body ring-shaped confocal photoacoustic computed tomography of small animals in vivo. J Biomed Opt. 17 (5), 050506 (2012).
- Sun, J., Lindvere, L., Van Raaij, M. E., Dorr, A., Stefanovic, B., Foster, F. S. In vivo imaging of cerebral hemodynamics using high-frequency micro-ultrasound. Cold Spring Harb Protoc. (9), (2010).
- Nasiriavanaki, M., Xia, J., Wan, H., Bauer, A. Q., Culver, J. P., Wang, L. V. High-resolution photoacoustic tomography of resting-state functional connectivity in the mouse brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (1), 21-26 (2014).
- Jao, J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64, 257-266 (2013).
- Deng, Z., Wang, Z., Yang, X., Luo, Q., Gong, H. In vivo imaging of hemodynamics and oxygen metabolism in acute focal cerebral ischemic rats with laser speckle imaging and functional photoacoustic microscopy. J Biomed Op. 17 (8), 081415-081414 (2012).
- Huang, R. B., Mocherla, S., Heslinga, M. J., Charoenphol, P., Eniola-Adefeso, O. Dynamic and cellular interactions of nanoparticles in vascular-targeted drug delivery. Mol Membr Biol. 27 (7), 312-327 (2010).
- Saxer, T., Zumbuehl, A., Müller, B. The use of shear stress for targeted drug delivery. Cardiovasc Res. 99, 328-3233 (2013).
- Zhao, Y. Z., Lu, C. T., Li, X. K., Cai, J. Ultrasound-mediated strategies in opening brain barriers for drug brain delivery. Expert Opin Drug Deliv. 10, 987-1001 (2013).
