Utilisation de neuro-imagerie fonctionnelle par ultrasons rupture de la barrière hémato-encéphalique et le manganèse-IRM

Summary

Une technique est décrite pour large ouverture de la barrière hémato-encéphalique chez la souris en utilisant des microbulles et des ultrasons. En utilisant cette technique, le manganèse peut être administré au cerveau de la souris. Parce que le manganèse est un agent de contraste IRM qui s'accumule dans les neurones dépolarisés, cette approche permet d'imagerie de l'activité neuronale.

Abstract

Bien que les souris sont le système modèle dominant pour l'étude des fondements génétiques et moléculaires des neurosciences, de la neuroimagerie fonctionnelle chez la souris reste techniquement difficile. Une approche, induite par activation de manganèse IRM (AIM IRM), a été utilisée avec succès pour cartographier l'activité neuronale chez les rongeurs ^1-5. Dans AIM IRM, Mn ^{2 +} agit comme un analogue de calcium et s'accumule dans les neurones dépolarisés ^6,7. Parce que Mn ^{2 +} réduit le T ₁ propriété de tissu, les régions de l'activité neuronale élevée permettra d'améliorer en IRM. Par ailleurs, Mn ^{2 +} efface lentement à partir des régions activées, par conséquent, la stimulation peut être effectuée en dehors de l'aimant avant d'imagerie, permettant une plus grande flexibilité expérimentale. Cependant, parce que Mn ^{2 +} ne traverse pas facilement la barrière hémato-encéphalique (BHE), la nécessité d'ouvrir la BHE a limité l'utilisation de l'IRM AIM, en particulier chez la souris.

Un outil pour l'ouverture de la BHE est ULTrasound. Bien que potentiellement dommageable, si l'échographie est administré en combinaison avec du gaz-remplis de microbulles (c.-à-agents de contraste ultrasonores), la pression acoustique nécessaire pour l'ouverture est considérablement inférieure à BBB. Cette combinaison d'ultrasons et microbulles peut être utilisé pour assurer l'ouverture du Bureau sans provoquer des lésions tissulaires ^8-11.

Ici, on présente une méthode pour effectuer AIM IRM en utilisant des microbulles et des ultrasons pour ouvrir la BHE. Après une injection intraveineuse de microbulles perflutren, un faisceau d'ultrasons pulsés floue est appliquée à la tête de la souris rasé pendant 3 minutes. Par souci de simplicité, nous nous référons à cette technique de l'ouverture de BBB avec microbulles et ultrasons BOMUS ^12. Utilisation BOMUS pour ouvrir le BBB à travers les deux hémisphères cérébraux, le manganèse est administré à l'ensemble de cerveau de souris. Après stimulation expérimentale des souris légère sédation, AIM IRM est utilisée pour cartographier la réponse neuronale.

Àillustrent cette approche, ici BOMUS et AIM IRM sont utilisées pour cartographier unilatérale stimulation mécanique de la vibrisses chez la souris légère sédation ^13. Parce que BOMUS pouvez ouvrir le BBB à travers les deux hémisphères, du côté du cerveau non stimulé est utilisée pour contrôler la stimulation de fond non spécifique. La carte d'activation résultante 3D est en bon accord avec les représentations publiés des régions vibrisses du champ baril cortex ^14. L'ouverture à ultrasons de la BHE est rapide, non invasive et réversible, et donc cette approche est appropriée pour les études à haut débit et / ou longitudinales dans les souris éveillées.

Protocol

1. Assembler et calibrer les systèmes ultrasons Le système à ultrasons commence par un transducteur à ultrasons à un seul élément d'un diamètre suffisamment large pour couvrir le cerveau de la souris et une fréquence centrale dans la gamme de 2 MHz. Le transducteur est entraîné par un amplificateur de 50 dB puissance, qui est relié à un générateur de signal qui produit la séquence d'impulsions à ultrasons. À étalonner la pression acoustique du système à ultrasons, utilis…

Discussion

Ici, une méthode non invasive a été présenté pour l'ouverture de la BHE dans le cerveau de souris entier avec des ultrasons et des microbulles (BOMUS). Après avoir ouvert le BBB, Mn ^{2 +} a été administré et l'activation induite par le manganèse-IRM (IRM AIM) a été utilisée pour la réponse neuronale à l'image de courte durée de stimulation chez les souris légère sédation.

Suffisant ouverture BBB a été réalisé avec un pic de pression négative acous…

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