Funktionel transkranial Doppler ultralyd til overvågning af cerebral blodgennemstrømning
Summary
Funktionel transkranial Doppler ultralyd supplerer andre funktionelle billeddiagnostiske modaliteter, med sin høje tidsmæssige opløsning måling af stimulus-inducerede ændringer i cerebral blodgennemstrømning i basale cerebral arterier. Dette metodepapir giver trinvise instruktioner til brug af funktionel transkranial Doppler ultralyd til at udføre et funktionelt billedekspediment.
Abstract
Funktionel transkranial Doppler ultralyd (fTCD) er brugen af transkranial Doppler ultralyd (TCD) til at studere neural aktivering forekommer under stimuli såsom fysisk bevægelse, aktivering af taktile sensorer i huden, og se billeder. Neural aktivering udledes af en stigning i cerebral blodgennemstrømningshastighed (CBFV), der leverer den region af hjernen, der er involveret i behandling af sensorisk input. For eksempel forårsager visning af stærkt lys øget neural aktivitet i hjernebarkens occipitale lap, hvilket fører til øget blodgennemstrømning i den bageste hjernearterie, som leverer occipital lap. I fTCD bruges ændringer i CBFV til at estimere ændringer i cerebral blodgennemstrømning (CBF).
Med sin høje tidsmæssige opløsning måling af blodgennemstrømningen hastigheder i de store cerebral arterier, fTCD supplerer andre etablerede funktionelle billeddannelse teknikker. Målet med dette metodepapir er at give trinvise instruktioner til brug af fTCD til at udføre et funktionelt billedekspedivment. For det første vil de grundlæggende trin til identifikation af den midterste cerebral arterie (MCA) og optimering af signalet blive beskrevet. Dernæst vil placeringen af en fikseringsanordning til at holde TCD-sonden på plads under eksperimentet blive beskrevet. Endelig vil det åndedrætsbevarende eksperiment, som er et specifikt eksempel på et funktionelt billedeksperiment ved hjælp af fTCD, blive demonstreret.
Introduction
I neurovidenskab forskning, er det ofte ønskeligt at overvåge real-time hjerneaktivitet noninvasively i en række forskellige miljøer. Men konventionelle funktionelle neuroimaging modaliteter har begrænsninger, der hindrer evnen til at fange lokaliserede og / eller hurtige aktivitetsændringer. Den sande (ikke-rystede, ikke-retrospektive) tidsmæssige opløsning af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er i øjeblikket i størrelsesordenen et par sekunder1, som muligvis ikke fanger forbigående hæmodynamiske ændringer forbundet med forbigående neural aktivering. I et andet eksempel, selv om funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) har høj tidsmæssig opløsning (millisekunder) og rimelig rumlig opløsning, kan det kun sonde hæmodynamiske ændringer i hjernebarken og kan ikke give oplysninger om ændringer, der finder sted i de større arterier, der leverer hjernen.
I modsætning hertil fTCD-klassificeret som en neuroimaging modalitet-“imaging” refererer til dimensioner af tid og rum, snarere end to ortogonale rumlige retninger, der er mere velkendte i et “billede”. fTCD giver supplerende oplysninger til andre neuroimaging modaliteter ved at måle høj tidsmæssig opløsning (typisk 10 ms) hæmodynamiske ændringer på præcise steder i fartøjer af den basale cerebral omsætning. Som med andre neuroimaging modaliteter kan fTCD bruges til en række eksperimenter som at studere lateralisering af cerebral aktivering under sprogrelaterede opgaver 2,3,4,studere neural aktivering som reaktion på forskellige somatosensoriske stimuli5, og udforske neural aktivering i forskellige kognitive stimuli som visuelle opgaver6, mentale opgaver7, og endda værktøjsproduktion8.
Selv om fTCD giver flere fordele ved brug i funktionel billedbehandling, herunder lave omkostninger til udstyr, bærbarhed og forbedret sikkerhed (sammenlignet med Wada-test3- eller positronemissionstomografiscanninger (PET-scanninger), kræver drift af en TCD-maskine færdigheder opnået ved praksis. Nogle af disse færdigheder, som skal læres af en TCD-operatør, omfatter evnen til at identificere forskellige cerebral arterier og de motoriske færdigheder, der er nødvendige for præcist at manipulere ultralydssonden under søgningen efter den relevante arterie. Målet med dette metodepapir er at præsentere en teknik til brug af fTCD til at udføre et funktionelt billedekspedivt eksperiment. For det første vil de grundlæggende trin til identifikation og optimering af signalet fra MCA, som gennemsyrer 80% af hjernehalvkuglen9, blive opført. Dernæst vil placeringen af en fikseringsanordning til at holde TCD-sonden på plads under eksperimentet blive beskrevet. Endelig vil det åndedrætsbesiddende eksperiment, som er et eksempel på et funktionelt billedeksperiment ved hjælp af fTCD, blive beskrevet, og repræsentative resultater vil blive vist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin i protokollen omfatter 1) at finde MCA, 2) placere pandebåndet, og 3) udfører ånde-bedrift manøvre.
Ændringer kan være nødvendige afhængigt af forsøgspersonerne i undersøgelsen. For eksempel kan personer med Alzheimers sygdom have svært ved at følge instruktionerne, hvilket kræver brug af en capnograph for at sikre overholdelse af åndedrætsbesberetning15. Små børn kan have svært ved at følge instruktione…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette projekt er baseret på forskning, der delvist blev støttet af Nebraska Agricultural Experiment Station med støtte fra Hatch Act (Tiltrædelsesnummer 0223605) gennem USDA National Institute of Food and Agriculture.
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).
