Ultrasonido Doppler Transcraneal Funcional para el Monitoreo del Flujo Sanguíneo Cerebral

Summary

La ecografía Doppler transcraneal funcional complementa otras modalidades de imágenes funcionales, con su medición de alta resolución temporal de los cambios inducidos por estímulos en el flujo sanguíneo cerebral dentro de las arterias cerebrales basales. Este documento de Métodos proporciona instrucciones paso a paso para usar el ultrasonido Doppler transcraneal funcional para realizar un experimento de imágenes funcionales.

Abstract

El ultrasonido Doppler transcraneal funcional (fTCD) es el uso del ultrasonido Doppler transcraneal (TCD) para estudiar la activación neuronal que ocurre durante estímulos como el movimiento físico, la activación de sensores táctiles en la piel y la visualización de imágenes. La activación neuronal se infiere de un aumento en la velocidad del flujo sanguíneo cerebral (CBFV) que suministra la región del cerebro involucrada en el procesamiento de la entrada sensorial. Por ejemplo, ver luz brillante causa un aumento de la actividad neuronal en el lóbulo occipital de la corteza cerebral, lo que lleva a un aumento del flujo sanguíneo en la arteria cerebral posterior, que suministra el lóbulo occipital. En fTCD, los cambios en CBFV se utilizan para estimar los cambios en el flujo sanguíneo cerebral (CBF).

Con su medición de alta resolución temporal de las velocidades del flujo sanguíneo en las principales arterias cerebrales, fTCD complementa otras técnicas de imagen funcionales establecidas. El objetivo de este documento de Métodos es dar instrucciones paso a paso para usar fTCD para realizar un experimento de imágenes funcionales. En primer lugar, se describirán los pasos básicos para identificar la arteria cerebral media (AME) y optimizar la señal. A continuación, se describirá la colocación de un dispositivo de fijación para mantener la sonda TCD en su lugar durante el experimento. Finalmente, se demostrará el experimento de contención de la respiración, que es un ejemplo específico de un experimento de imágenes funcionales utilizando fTCD.

Introduction

En la investigación en neurociencia, a menudo es deseable monitorear la actividad cerebral en tiempo real de manera no invasiva en una variedad de entornos. Sin embargo, las modalidades convencionales de neuroimagen funcional tienen limitaciones que impiden la capacidad de capturar cambios de actividad localizados y / o rápidos. La verdadera resolución temporal (no nerviosa, no retrospectiva) de la resonancia magnética funcional (fMRI) es actualmente del orden de unos pocos segundos¹, que puede no capturar cambios hemodinámicos transitorios relacionados con la activación neuronal transitoria. En otro ejemplo, aunque la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) tiene una alta resolución temporal (milisegundos) y una resolución espacial razonable, solo puede sondear los cambios hemodinámicos dentro de la corteza cerebral y no puede proporcionar información sobre los cambios que tienen lugar en las arterias más grandes que irrigan el cerebro.

En contraste, fTCD, clasificada como una modalidad de neuroimagen, “imagen” se refiere a las dimensiones del tiempo y el espacio, en lugar de dos direcciones espaciales ortogonales que son más familiares en una “imagen”. fTCD proporciona información complementaria a otras modalidades de neuroimagen mediante la medición de cambios hemodinámicos de alta resolución temporal (típicamente 10 ms) en ubicaciones precisas dentro de los vasos de la circulación cerebral basal. Al igual que con otras modalidades de neuroimagen, fTCD se puede utilizar para una variedad de experimentos, como el estudio de la lateralización de la activación cerebral durante las tareas relacionadas con el lenguaje^2,3,4,el estudio de la activación neuronal en respuesta a diversos estímulos somatosensoriales⁵y la exploración de la activación neuronal en diversos estímulos cognitivos, como las tareas visuales^6,las tareas^{mentales 7}e incluso la producción de herramientas^8.

Aunque fTCD ofrece varias ventajas para su uso en imágenes funcionales, incluido el bajo costo del equipo, la portabilidad y la seguridad mejorada (en comparación con la prueba^{Wada 3} o las tomografías por emisión de positrones [PET]), la operación de una máquina TCD requiere habilidades obtenidas por la práctica. Algunas de estas habilidades, que deben ser aprendidas por un operador de TCD, incluyen la capacidad de identificar varias arterias cerebrales y las habilidades motoras necesarias para manipular con precisión la sonda de ultrasonido durante la búsqueda de la arteria relevante. El objetivo de este artículo de Métodos es presentar una técnica para usar fTCD para realizar un experimento de imagen funcional. En primer lugar, se enumerarán los pasos básicos para identificar y optimizar la señal del MCA, que perfunde el 80% del hemisferio cerebral^9. A continuación, se describirá la colocación de un dispositivo de fijación para mantener la sonda TCD en su lugar durante el experimento. Finalmente, se describirá el experimento de retención de la respiración, que es un ejemplo de un experimento de imágenes funcionales utilizando fTCD, y se mostrarán resultados representativos.

Protocol

Toda la investigación en sujetos humanos se realizó de acuerdo con la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Nebraska-Lincoln, y se obtuvo el consentimiento informado de todos los sujetos. 1. Localización de la señal MCA mediante TCD a mano alzada NOTA: TCD “a mano alzada” se refiere a la operación de TCD con un transductor de mano para encontrar una señal CBFV antes de comenzar un experimento fTCD. Configuración de parámetros TCD<ol…

Representative Results

La Figura 3 muestra espectros Doppler de muestra y modos M de color desde el punto medio del segmento M1 del MCA. Figura 3A,B se tomaron en la misma posición en el cuero cabelludo, pero en diferentes ángulos. Observe cómo un cambio muy pequeño en el ángulo, sin cambiar la posición de contacto en el cuero cabelludo,puede mejorar en gran medida la intensidad de la señal Doppler, como lo demuestra la coloración amarilla de mayor in…

Discussion

Los pasos críticos en el protocolo incluyen 1) encontrar el MCA, 2) colocar la diadema y 3) realizar la maniobra de contención de la respiración.

Las modificaciones pueden ser necesarias dependiendo de los sujetos en el estudio. Por ejemplo, los sujetos con enfermedad de Alzheimer pueden tener dificultades para seguir las instrucciones, lo que requiere el uso de un capnógrafo para garantizar el cumplimiento de las instrucciones de contención de la respira…

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