Neuroimagen Funcional Utilizando ultrasonidos hematoencefálica perturbación de la barrera y la RM-manganeso mayor

Summary

Una técnica se describe en términos generales para la apertura de la barrera sangre-cerebro en el ratón utilizando microburbujas y ultrasonido. Usando esta técnica, el manganeso se puede administrar al cerebro del ratón. Debido a que el manganeso es un agente de contraste de MRI que se acumula en las neuronas despolarizadas, este enfoque permite imágenes de la actividad neuronal.

Abstract

Aunque los ratones son el sistema de modelo dominante para el estudio de las bases genéticas y moleculares de la neurociencia, la neuroimagen funcional en ratones sigue siendo un reto técnico. Uno de los enfoques, la activación inducida por el manganeso potenciado por resonancia magnética (MRI AIM), ha sido utilizado con éxito para mapear la actividad neuronal en roedores ^1-5. En AIM resonancia magnética, Mn ^{2 +} actúa como un análogo de calcio y se acumula en las neuronas despolarizadas ^6,7. Debido a Mn ^{2 +} se acorta la T ₁ propiedad del tejido, las regiones de la actividad neuronal elevada mejorará en la RM. Además, Mn ^{2 +} borra lentamente desde las regiones activadas, por lo tanto, la estimulación puede realizarse fuera del imán antes de la imagen, permitiendo una mayor flexibilidad experimental. Sin embargo, debido a Mn ^{2 +} no atraviesa fácilmente la barrera hematoencefálica (BBB), la necesidad de abrir el BBB ha limitado el uso de resonancia magnética de AIM, sobre todo en los ratones.

Una herramienta para la apertura de la BBB es ULTrasound. Aunque potencialmente perjudicial, si el ultrasonido se administra en combinación con microburbujas llenas de gas (es decir, los agentes de contraste por ultrasonidos), la presión acústica requerida para la apertura BBB es considerablemente menor. Esta combinación de ultrasonidos y microburbujas puede ser utilizada para abrir de forma fiable la BBB sin causar daño a los tejidos ^8-11.

Aquí, se presenta un método para la realización de AIM resonancia magnética mediante el uso de microburbujas y ultrasonido para abrir la barrera hematoencefálica. Después de una inyección intravenosa de microburbujas perflutren, un haz desenfocado ultrasonido pulsado se aplica a la cabeza del ratón afeitado durante 3 minutos. Para simplificar, nos referimos a esta técnica de Apertura BBB con microburbujas y ultrasonido como BOMUS ^12. Usando BOMUS para abrir la BBB lo largo de ambos hemisferios cerebrales, manganeso se administra al cerebro de ratón conjunto. Después de la estimulación experimental de los ratones ligeramente sedado, AIM resonancia magnética se utiliza para asignar la respuesta neuronal.

ADemostramos este enfoque, en este documento y la RM BOMUS AIM se utilizan para asignar estimulación unilateral mecánica de las vibrisas en ratones ligeramente sedado ^13. Debido BOMUS puede abrir la BBB lo largo de ambos hemisferios, el lado no estimulada del cerebro se utiliza para controlar para la estimulación de fondo no específica. El mapa resultante de la activación 3D está de acuerdo también con las representaciones de las regiones publicados vibrisas del campo de la corteza barril de ^14. La apertura de ultrasonidos de la BBB es rápido, no invasivo y reversible, y por lo tanto este enfoque es adecuado para los estudios de alto rendimiento y / o longitudinales en ratones despiertos.

Protocol

1. Montar y calibrar el sistema ultrasonido El sistema de ultrasonidos se inicia con un transductor de ultrasonidos de un solo elemento con un diámetro lo suficientemente amplia como para cubrir el cerebro de ratón y una frecuencia central en el intervalo de 2 Mhz. El transductor es impulsado por un amplificador 50-dB de potencia, que está conectada a un generador de señal que produce la secuencia de pulsos de ultrasonido. Para calibrar la presión acústica del sistema de ultrasonidos, utiliza …

Discussion

Aquí, un método no invasivo fue presentado por la apertura de la BBB a través del cerebro del ratón entero con ultrasonido y microburbujas (BOMUS). Con la apertura de BBB, Mn ^{2 +} fue administrada y la activación inducida por el manganeso potenciado por resonancia magnética (MRI AIM) se utilizó para la respuesta neuronal a la imagen de corta duración en ratones estimulación ligeramente sedado.

Adecuado apertura BBB se logró con una presión acústica de pico negativo de 0…

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