Funktionell transkraniell Doppler ultraljud för övervakning cerebralt blodflöde

Summary

Funktionella transkraniell Doppler ultraljud kompletterar andra funktionella bildframställning modaliteter, med dess höga tidsmässiga upplösning mätning av stimulans-inducerad förändringar i cerebrala blodflödet inom de basala cerebrala artärerna. Detta methods papper ger steg-för-steg instruktioner för att använda funktionella transkraniell Doppler ultraljud för att utföra ett funktionellt bildframställning experiment.

Abstract

Funktionella transkraniell Doppler ultraljud (fTCD) är användningen av transkraniell Doppler ultraljud (TCD) för att studera neural aktivering inträffar under stimuli såsom fysisk rörelse, aktivering av taktila sensorer i huden och visning av bilder. Neural aktivering härleds från en ökning av cerebral blodflöde hastighet (CBFV) som levererar regionen i hjärnan som är involverad i bearbetning av sensorisk input. Till exempel orsakar visning av starkt ljus ökad neural aktivitet i hjärnbarkens occipitallob, vilket leder till ökat blodflöde i den bakre hjärnartären, som levererar occipitalloben. I fTCD används förändringar i CBFV för att uppskatta förändringar i cerebralt blodflöde (CBF).

Med sin höga temporal upplösning mätning av blod flöde hastigheter i de stora cerebrala artärer, fTCD kompletterar andra etablerade funktionella bildframställning tekniker. Målet med detta methods-papper är att ge steg-för-steg-instruktioner för hur du använder fTCD för att utföra ett funktionellt bildexperiment. Först kommer de grundläggande stegen för att identifiera den mellersta cerebrala gatan (MCA) och optimera signalen att beskrivas. Därefter kommer placering av en fixeringsanordning för att hålla TCD-sonden på plats under experimentet att beskrivas. Slutligen kommer andningshållande experimentet, som är ett specifikt exempel på ett funktionellt bildexperiment med fTCD, att demonstreras.

Introduction

Inom neurovetenskaplig forskning är det ofta önskvärt att övervaka hjärnaktivitet i realtid icke-invasivt i en mängd olika miljöer. Konventionella funktionella neuroimaging modaliteter har dock begränsningar som hindrar förmågan att fånga lokaliserade och/eller snabba aktivitetsförändringar. Den sanna (icke-darrade, icke-retrospektiva) temporala upplösningen av funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är för närvarande i storleksordningen några sekunder¹, vilket kanske inte fångar övergående hemodynamiska förändringar kopplade till övergående neural aktivering. I ett annat exempel, även om funktionella nära infraröd spektroskopi (fNIRS) har hög temporal upplösning (millisekunder) och rimlig rumslig upplösning, kan den bara sondera hemodynamiska förändringar i hjärnbarken och kan inte ge information om förändringar som äger rum i de större artärerna som tillförsel hjärnan.

Däremot hänvisar fTCD – klassificerat som en neuroimaging modalitet – “imaging” till dimensionerna av tid och rum, snarare än två orthogonala rumsliga riktningar som är mer bekanta i en “bild”. fTCD ger kompletterande information till andra neuroimaging modaliteter genom att mäta hög temporal upplösning (vanligtvis 10 ms) hemodynamic förändringar på exakta platser inom fartyg av den basala cerebrala cirkulationen. Som med andra neuroimaging modaliteter, fTCD kan användas för en mängd olika experiment såsom att studera lateralisering av cerebral aktivering under språkrelaterade uppgifter^2,3,4, studera neural aktivering som svar på olika somatosensory stimuli⁵, och utforska neural aktivering i olika kognitiva stimuli såsom visuella^{uppgifter 6,}mentala^{uppgifter 7}, och till och med verktygsproduktion⁸.

Även om fTCD erbjuder flera fördelar för användning vid funktionell avbildning, inklusive låg kostnad för utrustning, bärbarhet och förbättrad säkerhet (jämfört med Wada test³ eller positron utsläpp tomografi [PET] skanningar), kräver drift av en TCD-maskin färdigheter som erhållits genom övning. Några av dessa färdigheter, som måste läras av en TCD-operatör, inkluderar förmågan att identifiera olika cerebrala artärer och de motoriska färdigheter som krävs för att exakt manipulera ultraljudssonden under sökandet efter relevant artär. Målet med detta methodspapper är att presentera en teknik för att använda fTCD för att utföra ett funktionellt bildexperiment. Först kommer de grundläggande stegen för att identifiera och optimera signalen från MCA, som perfuserar 80% av hjärnhalvan⁹, att listas. Därefter kommer placering av en fixeringsanordning för att hålla TCD-sonden på plats under experimentet att beskrivas. Slutligen kommer andningshållande experimentet, som är ett exempel på ett funktionellt bildexperiment med fTCD, att beskrivas och representativa resultat kommer att visas.

Protocol

All forskning inom humanämnet utfördes i enlighet med Institutional Review Board vid University of Nebraska-Lincoln, och informerat samtycke erhölls från alla ämnen. 1. Lokalisera MCA-signalen med frihands-TCD OBS: “Freehand” TCD avser drift av TCD med en handhållen givare för att hitta en CBFV-signal innan du påbörjar ett fTCD-experiment. Ställa in TCD-parametrar Håll strömmen på ett rimligt högt värde (t.ex. 400 mW) under den förs…

Representative Results

Figur 3 visar provdopplerspektra och färg M-lägen från mittpunkten för M1-segmentet i MCA. Figur 3A,B togs i samma position på hårbotten, men i olika vinklar. Observera hur en mycket liten förändring i vinkeln, utan att ändra kontaktpositionen på hårbotten, kan avsevärt förbättra Dopplers signalstyrka, vilket framgår av spektrogrammets högre intensitet i figur 3B. Observera också att M-läg…

Discussion

Kritiska steg i protokollet inkluderar 1) att hitta MCA, 2) placera pannbandet och 3) utföra andningshållande manöver.

Ändringar kan vara nödvändiga beroende på försökspersonerna i studien. Till exempel kan personer med Alzheimers sjukdom ha svårt att följa instruktioner, vilket kräver användning av en kapnograf för att säkerställa överensstämmelse med andningsinstruktioner¹⁵. Små barn kan ha svårt att följa instruk…

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