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.
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.
Strategier för att noggrant beskriva funktioner i hjärnan hemodynamik i centrala nervsystemet hos små djur behövs för att avancera inom neurovetenskap 1-3. Den presenterade tekniken visar hur du utför icke-invasiv akustisk och fotoakustisk avbildning på små djur hjärna för att undersöka kärlbiologi, arrangemang och funktion.
Optiska avbildningstekniker tillåter lokalisering av händelser relaterade till neural aktivitet 2,4-5 och samtidigt skaffa signaler som genereras av hemoglobin i både syresatta och icke-syresatt stater 6. Emellertid, på grund av fotonisk absorption och spridning, lider ren optisk avbildning av dålig rumslig upplösning och begränsad vävnadspenetrationsdjup 7-8. Omvänt, akustik erbjuder möjligheten att utföra djupare avbildning med högre utrymme rumslig upplösning, men det hindras av speckle och begränsad kontrast 9-11. Genom att kombinera funktioner i fotonik with ultraljud, förbättrar fotoakustisk teknik både bildbehandling och diagnostiska möjligheter för enskilda metoder 12-16.
Fotoakustisk avbildning av hjärnan har potential att belysa flera frågor i neurobiologi, dock kalott som naturligt skyddar hjärna, dramatiskt begränsar både fotoniska och ultraljudsvävnadspenetration 17-19. Dessutom ben främjar spridning av både ljus och ljud som resulterar i förlust av känslighet och bild aberrationer 17-18. Som en följd, kan hjärnan ultraljud och fotoakustisk avbildning lätt utföras på nyfödda djur före ossifikation 20, men den djupa anatomi och fysiologi av den vuxna hjärnan är klart tillgängliga endast efter kraniotomi 21,22. Tyvärr är tekniskt svårt operationen behövs för skallen borttagning och dess effekter kan vara skadligt för vissa experimentsyfte vilket gör det svårt att övervaka neurala sjukdomsprogression isamma djur över tid. Därför är det mycket önskvärt en icke-invasiv metod för att avbilda djup cerebral biologi i små djurmodeller. I litteraturen metoden av foton återvinnare 17 rapporteras som ett sätt att minska förlusten telefonen och öka transmittansen genom den intakta skallen, förbättra den fotoakustiska signalbrusförhållande (SNR) och kontrasten hos målet.
Den presenterade protokollet syftar till att ge en tillförlitlig metod för subkortikala hjärn akustiska och fotoakustisk avbildning på forskning användningsområden gnagare (speciellt på råttor) utan invasiv kirurgi. Förfarandet bygger på användningen av bärbara transducerande enheter för högfrekvent ultraljud och fotoakustisk avbildning. I motsats till tomografisk bildteknik 23, portabel och riktningsgivare 24 möjliggör val av specifika kranium regioner med naturligt reducerad tjocklek, kallas sprickor eller scissures. De stora klyftor (foramina) finns på ryggradsdjur aNimal skalle är nödvändiga för att lokalisera nervknippen, fartyg eller andra strukturer som förbinder de inre encephalon kretsar till andra delar av kroppen. De stora klyftor finns i olika storlekar ben öppningar som kan utnyttjas som specifika passager för ultraljudsvågor och laser. Sådan riktad avbildning minskar våg reflektion som orsakas av gränssnitt ben och ökar känsligheten genom att förbättra bild inträngningsdjup. I detta perspektiv kan bildomvandlaren arrangeras vara vinkelrät mot klyftor som finns på den tidsmässiga och på nack sidan av skallen (Figur 1), i syfte att maximalt konvergera ultraljudet och fotoniska strålar på dessa områden. Denna inriktning både förbättrar signalkvaliteten och tvingar signalen att fortsätta genom ett tunnare ben lager med avseende på andra kraniala oriente. Sålunda är de överförda och reflekterade vågorna genomgå en lägre grad av spridning, vilket möjliggör insamling av intensiva signaler som härrör från djuparetissueskikt. I motsats till tidigare förfaranden, kräver detta experimentella inställning bara djurhuvud rakning, medan ingen annan kirurgi är nödvändigt.
Med det föreslagna protokollet, är bild utförs vid relativt hög rumslig upplösning, avslöjar både specifika referens anatomiska strukturer och blodkärl djupare än nuvarande toppmoderna metoder, allt medan djurhud och skalle förbli intakt. Unika koronala och axiella bilder kan förvärvas genom att utnyttja olika ultraljudsbildförvärvs modaliteter (B, Ström Doppler, färgdoppler, Pulsed Wave Mode) parallellt med fotoakustisk avbildning. En utökad repertoar av parametrar kan utvinnas ur dessa bilder, vilket möjliggör avbildning av parenkymal och kärlanatomi tillsammans en hel samling av funktioner som påverkar blodcirkulationen dynamik. Protokollet kan användas för att bild grundläggande kortikala parenkymet funktioner i High Frequency Ultraljud B Läge modalitet, de basilar och interna halspulsåder (BA och ICA respektive) komponera Circle of Willis, Mellanöstern cerebral artär (MCA) och andra detaljer i cirkulationsapparaten. Vidare blodflödet kvantifiering, menar stream hastigheter, riktad rörelse beskrivning och syremättnad uppgifter kan samlas in från kortikal till djupa hjärnregioner.
Den nya strategin innebär stora möjligheter för en mängd olika tillämpningar och uppfyller det brådskande behovet av tillförlitliga rutiner för att skildra djupa hjärnfunktioner som är avgörande i olika patologier. Dessutom, på grund av sin minimala invasivitet kan den presenterade protokollet möjliggör otaliga möjliga imaging studier på det centrala nervsystemet, särskilt sådana som kräver långtidsövervakning eller involverar känsliga patologiska djurmodeller.
Den presenterade protokollet optimeras för att åstadkomma mycket effektiv hjärnavbildningsprestanda i små djur. Bilder kan förvärvas i olika former genom att exakt följa indikationer om förvärvsparametrar och givaren positionering på skallen fora. I synnerhet, är placeringen på den temporala sidan det mest kritiska, eftersom USA och lasern måste vara centrerad så precist som möjligt för att korrekt penetrera foramen, vilket är mindre än den occipitala en. Ändå, tack vare detta experimentella inställning, hemodynamiska funktioner relaterade till fysiologiska eller ens patologiska tävlingar är tillgängliga och kan utvärderas även i djupa hjärnregioner, som vanligtvis är svåra att karakterisera.
Eftersom lyckad bild förvärv beror på noggrannheten hos givaren positionering, har detta beroende noga beaktas eftersom det kan påverka bildprestanda. Till exempel,vissa anatomiska strukturer av intresse kunde inte helt ingå i förvärvsbildplanet och deras identifiering från bilder som erbjuder bara en partiell syn kan leda suboptimal. Dessutom skulle ett USA och PA avbildning förvärv utförs i en tredimensionell modalitet (3D-läge) är inte kompatibel med den tidigare beskrivna experimentella inställning, eftersom det kräver givaren att röra sig längs en fördefinierad automatiserad väg. Slutligen, på grund av den naturliga anatomiska variationen, dimension skallen öppningar kan avsevärt variera mellan djur och därmed få oförutsägbara konsekvenser för förvärvsprocessen. Detta faktum gör att bildkvaliteten beroende på egenskaperna hos varje individ. Följaktligen till omöjlig tillämpa denna strategi till vissa djur måste beaktas när man utformar den experimentella protokollet.
Specifikt är en anmärkningsvärd intresse riktat till hemodynamik, på grund av dess grundläggande roll för att bestämmabiodistribution av läkemedel eller andra exogena molekyler efter systemisk administrering 28-29. De applikativa konsekvenser inom Molecular Imaging är många, allt från validering av blodpoolavbildning kontrastmedel till bild övervakade drug delivery studier kräver ultraljud-inducerad BBB öppningen 30. Alla dessa forskningsändamål kommer säkert dra nytta av den minimala invasivitet av protokollet, med tanke på att, utan ytterligare kirurgi, är risken för dödsfall eller oönskade biverkningar minskas väsentligt och långsiktig övervakning på samma djurmodeller är genomförbart.
Sammanfattningsvis kommer det presenterade protokollet gör det möjligt för utövaren att effektivt bilden och korrekt tolka den anatomiska topografi och den vaskulära mönstret av normala eller patologiska hjärnvävnader i forskningsanvändning djurmodeller. Medan dagens metoder är i huvudsak begränsat till tomografisk kortikal imaging 25-27, ger denna inställning möjlighet to illustrerar flera processer som påverkar djup hjärnfysiologi, genom att slå samman fördelar som både USA och PA avbildning.
The authors have nothing to disclose.
The authors have no acknowledgements.
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/ |