Method Article
L’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle complète d’autres modalités d’imagerie fonctionnelle, avec sa mesure à haute résolution temporelle des changements induits par le stimulus dans le flux sanguin cérébral dans les artères cérébrales basales. Cet article sur les méthodes donne des instructions étape par étape pour l’utilisation de l’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle.
L’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle (dtst partie) est l’utilisation de l’échographie Doppler transcrânienne (TCD) pour étudier l’activation neuronale se produisant lors de stimuli tels que le mouvement physique, l’activation de capteurs tactiles dans la peau et la visualisation d’images. L’activation neuronale est déduite d’une augmentation de la vitesse du flux sanguin cérébral (CBFV) alimentant la région du cerveau impliquée dans le traitement de l’entrée sensorielle. Par exemple, la visualisation de la lumière vive provoque une augmentation de l’activité neuronale dans le lobe occipital du cortex cérébral, entraînant une augmentation du flux sanguin dans l’artère cérébrale postérieure, qui alimente le lobe occipital. Dans la dts fTCD, les changements dans le CBFV sont utilisés pour estimer les changements dans le flux sanguin cérébral (CBF).
Avec sa mesure à haute résolution temporelle des vitesses du flux sanguin dans les principales artères cérébrales, la dts fTCD complète d’autres techniques d’imagerie fonctionnelle établies. L’objectif de cet article sur les méthodes est de donner des instructions étape par étape pour l’utilisation de la dts fTCD pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle. Tout d’abord, les étapes de base pour identifier l’artère cérébrale moyenne (MCA) et optimiser le signal seront décrites. Ensuite, le placement d’un dispositif de fixation pour maintenir la sonde TCD en place pendant l’expérience sera décrit. Enfin, l’expérience de maintien de la respiration, qui est un exemple spécifique d’expérience d’imagerie fonctionnelle utilisant la dts fTCD, sera démontrée.
Dans la recherche en neurosciences, il est souvent souhaitable de surveiller l’activité cérébrale en temps réel de manière non invasive dans divers environnements. Cependant, les modalités conventionnelles de neuroimagerie fonctionnelle ont des limites qui entravent la capacité de capturer des changements d’activité localisés et / ou rapides. La résolution temporelle réelle (non agitée, non rétrospective) de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est actuellement de l’ordre de quelques secondes1, qui peut ne pas capturer les changements hémodynamiques transitoires liés à l’activation neuronale transitoire. Dans un autre exemple, bien que la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) ait une résolution temporelle élevée (millisecondes) et une résolution spatiale raisonnable, elle ne peut sonder que les changements hémodynamiques dans le cortex cérébral et ne peut pas fournir d’informations sur les changements qui se produisent dans les grandes artères alimentant le cerveau.
En revanche, la dts fTC – classée comme une modalité de neuroimagerie – « imagerie » fait référence aux dimensions du temps et de l’espace, plutôt qu’à deux directions spatiales orthogonales qui sont plus familières dans une « image ». La dts fTCD fournit des informations complémentaires à d’autres modalités de neuroimagerie en mesurant les changements hémodynamiques à haute résolution temporelle (généralement 10 ms) à des endroits précis dans les vaisseaux de la circulation cérébrale basale. Comme avec d’autres modalités de neuroimagerie, la dts fTCD peut être utilisée pour une variété d’expériences telles que l’étude de la latéralisation de l’activation cérébrale pendant les tâches liées au langage2,3,4, l’étude de l’activation neuronale en réponse à divers stimuli somatosensoriels5, et l’exploration de l’activation neuronale dans divers stimuli cognitifs tels que les tâches visuelles6, les tâchesmentales 7, et même la production d’outils8.
Bien que la dts fTCD offre plusieurs avantages pour une utilisation en imagerie fonctionnelle, notamment le faible coût de l’équipement, la portabilité et une sécurité accrue (par rapport au test Wada3 ou à la tomographie par émission de positons [TEP]), le fonctionnement d’un appareil TCD nécessite des compétences acquises par la pratique. Certaines de ces compétences, qui doivent être apprises par un opérateur TCD, comprennent la capacité d’identifier diverses artères cérébrales et les habiletés motrices nécessaires pour manipuler avec précision la sonde à ultrasons lors de la recherche de l’artère concernée. L’objectif de cet article sur les méthodes est de présenter une technique d’utilisation de la dts fTC pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle. Tout d’abord, les étapes de base pour identifier et optimiser le signal du MCA, qui perfuse 80% de l’hémisphère cérébral9, seront répertoriées. Ensuite, le placement d’un dispositif de fixation pour maintenir la sonde TCD en place pendant l’expérience sera décrit. Enfin, l’expérience de maintien de la respiration, qui est un exemple d’expérience d’imagerie fonctionnelle utilisant la dts fTCD, sera décrite et des résultats représentatifs seront présentés.
Toutes les recherches sur des sujets humains ont été effectuées conformément au Comité d’examen institutionnel de l’Université du Nebraska-Lincoln, et le consentement éclairé a été obtenu de tous les sujets.
1. Localisation du signal MCA par TCD à main levée
REMARQUE: TcD « à main levée » fait référence au fonctionnement du TCD avec un transducteur portable pour trouver un signal CBFV avant de commencer une expérience fTCD.
Figure 1: Représentation du cercle de Willis et des principales artères du système circulatoire cérébral. La bifurcation de l’ICA en ACA et MCA est marquée d’un cercle noir. Le segment M1 du MCA est montré. Ce chiffre a été modifié à partir de24. Abréviations : ACA = artère cérébrale antérieure; Bif. = bifurcation; ICA = artère carotide interne; MCA = artère cérébrale moyenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2: La fenêtre transtemporelle (marquée par l’ellipse pointillée), l’arc zygomatique (flèche) et les sous-fenêtres11. (A) Sous-fenêtre frontale. (B) Sous-fenêtre antérieure. (C) Sous-fenêtre centrale. (D) Sous-fenêtre postérieure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3: Échantillon de spectres Doppler et d’images en mode M à partir du point médian du segment M1 du MCA. (A) Spectre pris juste après l’application du transducteur sur la fenêtre temporelle, juste devant l’oreille. (B) Échantillonner le spectre Doppler au même endroit et à la même profondeur que (A). Le seul changement est que le transducteur a été légèrement incliné vers le haut (de manière supérieure). Dans les deux (A) et (B), profondeur = 50 mm, gain = 50, volume de l’échantillon = 12 mm, puissance = 420 mW/cm2et filtre = 100 Hz. Veuillez cliquer ici pour afficher une version plus grande de cette figure.
Figure 4: Image spectrale Doppler (en haut) et en mode M (en bas) de la bifurcation de l’ICA dans le MCA et l’ACA. Profondeur = 65 mm, gain = 50, volume de l’échantillon = 12 mm, puissance = 420 mW/cm2et filtre = 100 Hz. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
2. Déplacement du MCA après avoir placé un dispositif de fixation
REMARQUE: Pour les expériences fTCD, il est nécessaire de surveiller le CBFV pendant 10 à 90 minutes ou plus. Par conséquent, un dispositif de fixation(Figure 5)est crucial pour assurer la stabilité.
Figure 5: Sujet portant un dispositif de fixation personnalisé. Veuillez cliquer ici pour afficher une version agrandie de cette figure.
3. Effectuer une manœuvre de maintien de la respiration
REMARQUE : Cette section est donnée à titre d’exemple d’expérience fonctionnelle qui peut être effectuée à l’aide de la configuration expérimentale décrite dans les sections 1 et 2.
La figure 3 montre des échantillons de spectres Doppler et de modes M de couleur à partir du point médian du segment M1 du MCA. Figure 3A,B ont été prises à la même position sur le cuir chevelu, mais sous des angles différents. Notez comment un très petit changement d’angle, sans changer la position de contact sur le cuir chevelu,peut grandement améliorer la force du signal Doppler, comme le montre la coloration jaune de plus haute intensité du spectrogramme dans la figure 3B. Notez également que le mode M de la figure 3B montre deux artères (bleues et rouges, correspondant respectivement à l’ACA et au MCA).
La figure 4 montre un échantillon du spectre Doppler et du mode M de la bifurcation de l’ICA dans l’ACA et le MCA. Notez les régions rouges et bleues qui se chevauchent dans l’image en mode M indiquant le MCA et l’ACA, respectivement. Notez également la symétrie de la forme d’onde spectrale Doppler lorsque vous comparez le flux vers le transducteur (positif) avec l’écoulement loin du transducteur (négatif).
La figure 6 montre des spectres d’échantillon et des images en mode M de différents points temporels de la manœuvre de maintien de la respiration. La figure 6A montre le spectre TCD de base et le mode M au début de la rétention de l’haleine. Notez la vitesse moyenne de 56 cm/s. La figure 6B montre le spectre TCD et le mode M à la fin de la rétention de la respiration. Notez que la vitesse moyenne est maintenant passée à 70 cm/s. La figure 6C montre le spectre TCD et le mode M après la fin de la respiration. Notez la sous-vitesse en dessous des valeurs de référence, la moyenne tombant à 47 cm/s. Notez que l’ACA est visible sous forme d’écoulement loin du transducteur dans les spectres Doppler.
La figure 7 montre l’ensemble de l’expérience de maintien de la respiration. Notez que l’enveloppe reste élevée pendant environ 15 s après la fin de la rétention de la respiration, tombe à des valeurs inférieures à celles du début de la rétention de la respiration pendant environ 20 s, puis revient finalement aux valeurs de référence. Notez que l’ACA est visible sous forme de flux éloigné du transducteur dans le spectre Doppler.
La figure 6 et la figure 7 montrent une bonne intensité du signal dans la partie MCA du spectre TCD (le MCA est représenté par les vitesses positives); notez comment la ligne blanche qui représente l’enveloppe suit très précisément le spectre TCD lorsque le spectre est lumineux. Les spectres des figures 6 et 7 pourraient être améliorés en diminuant la profondeur de surveillance de 5 à 10 mm afin que la partie ACA du spectre TCD ne soit pas visible (l’ACA est représentée par des vitesses négatives) et en modifiant l’échelle de l’axe vertical dans le spectre TCD pour passer d’environ -100 cm/s à 100 cm/s, ce qui permettrait un échantillonnage à vitesse maximale du spectre TCD dans la direction verticale.
La figure 8 montre des exemples de spectres TCD bilatéraux et de modes M adaptés à la dtsation fTC bilatérale. La figure 8A et la figure 8B montrent des spectres bilatéraux et des modes M acceptables, mais pas optimaux. Notez comment le gain est plus élevé dans la figure 8A (MCA gauche) que dans la figure 8B (MCA droit) pour compenser le signal plus faible, et comment la qualité de l’enveloppe dans la figure 8A est légèrement inférieure à celle de la figure 8B. Notez également que la vitesse maximale à la systole de la figure 8A est légèrement inférieure à celle de la figure 8B. En revanche, notez comment les deux spectres de la figure 8C et de la figure 8D sont très similaires en termes de paramètres, y compris la profondeur, le gain, la puissance et le volume de l’échantillon, et comment les formes d’onde spectrales des deux côtés ont des vitesses et des formes maximales similaires. Pour y remédier, il est recommandé que le spectre du MCA gauche soit systématiquement placé dans la fenêtre gauche et le spectre du MCA droit dans la fenêtre droite, en particulier pour les expériences impliquant une latéralisation du flux sanguin.
Figure 6: Échantillon de spectres Doppler et d’images en mode M du MCA au cours des différentes étapes de la manœuvre de maintien de la respiration. (A) Spectre et mode M au début de la respiration. La ligne jaune verticale au centre indique le début de la rétention du souffle. (B) Spectre et mode M à la fin de la respiration. La ligne jaune verticale au centre indique la fin de la respiration lorsque le sujet inspire. (C) Spectre et mode M après la fin de la rétention de la respiration, montrant la diminution de la vitesse d’écoulement qui persiste pendant environ 30 s après la rétention de la respiration. Dans tous les spectres, profondeur = 56 mm, gain = 50, volume de l’échantillon = 8 mm, puissance = 420 mW/cm2et filtre = 100 Hz. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 7: Spectre et mode M du MCA tout au long de la respiration. Profondeur = 56 mm, gain = 50, volume de l’échantillon = 8 mm, puissance = 420 mW/cm2et filtre = 100 Hz. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 8: Exemples de spectres bilatéraux et d’images en mode M du MCA. (A) Spectre acceptable, mais non optimal, et mode M du MCA gauche, avec profondeur = 62 mm, gain = 69, volume de l’échantillon = 12 mm, puissance = 420 mW/cm2, et filtre = 100 Hz. (B) Bon spectre et mode M du MCA droit, avec profondeur = 62 mm, gain = 56, volume de l’échantillon = 12 mm, puissance = 420 mW/cm2, et filtre = 100 Hz. (C) Bon spectre et mode M du MCA gauche. (D) Bon spectre et mode M du bon MCA. Pour les deux (C) et (D), profondeur = 62 mm, gain = 56, volume de l’échantillon = 12, puissance = 420 mW/cm2et filtre = 100 Hz. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Âge | Profondeur de l’artère cérébrale moyenne (mm) |
0–3 moispar mois | 25 |
3 à 12 moispar mois | 30 |
1 à 3 anspar an | 35–45 |
3 à 6 anspar an | 40–45 |
6 à 10 ansa | 45–50 |
10 à 18 ansa | 45–50 |
>18 ansb | 50 |
Tableau 1 : Profondeurs du MCA à différents âges. Sources : a = Bode25, b = Alexandrov et al.10
Les étapes critiques du protocole comprennent 1) la recherche du MCA, 2) le placement du bandeau et 3) l’exécution de la manœuvre de maintien de la respiration.
Des modifications peuvent être nécessaires en fonction des sujets de l’étude. Par exemple, les sujets atteints de la maladie d’Alzheimer peuvent avoir de la difficulté à suivre les instructions, ce qui nécessite l’utilisation d’un capnographe pour assurer le respect des instructions de maintien de l’haleine15. Les jeunes enfants peuvent avoir de la difficulté à suivre les instructions et peuvent être timides à l’éventreur; par conséquent, les protocoles expérimentaux peuvent devoir être simplifiés pour une telle population (voir Lohmann et al.2). Certains paramètres de la machine TCD peuvent également devoir être modifiés en fonction de la population d’intérêt. Par exemple, lors de l’insonation des nourrissons, qui ont des os crâniens minces, réduisez la puissance autant que possible, surtout si la surveillance tcD aura lieu sur une période de plusieurs heures16.
Le dépannage est souvent centré sur les difficultés à trouver un bon signal spectral TCD stable. Par exemple, pour les personnes âgées de plus de 50 ans, la fenêtre acoustique temporale devient de plus en plus petite à mesure que l’âge augmente en raison de l’augmentation de la porosité de l’os du crâne et tend à se localiser dans la région juste devant l’oreille (l'« espace intertragal»)12. Dans une telle population, trouver un bon signal spectral MCA des deux côtés de la tête peut parfois être impossible, et de très légers changements dans l’angle ou la position du transducteur peuvent entraîner la perte du signal. Parce qu’un signal de bonne qualité est essentiel pour les expériences qui dépendent de la forme d’onde de l’enveloppe pour l’analyse, tous les efforts doivent être faits pour augmenter l’intensité et la qualité du signal spectral MCA. Par exemple, le gain peut être ajusté pour optimiser le signal, et le volume de l’échantillon peut être augmenté pour obtenir un signal plus fort. En dernier recours, la puissance peut être augmentée. Enfin, il est important de noter que chez environ 10% des patients, la fenêtre acoustique temporale peut être absente11,17. La fenêtre acoustique temporale peut être facilement trouvée chez les nourrissons et les jeunes enfants et est plus difficile à trouver chez les adultes de plus de 50 ans.
Les limites de la dts fTC comprennent l’acquisition d’informations CBFV à un emplacement spatial17 plutôt qu’à un large champ de vision, bien qu’avec une résolution temporelle très élevée. Ainsi, la fTCD est un complément à l’IRMf, qui donne des informations hémodynamiques cérébrales (et donc une activité neuronale) avec un large champ de vision à une faible résolution temporelle18,19. En effet, la fTCD a une résolution temporelle comparable à celle de fNIRS20,à la différence importante que la fTCD mesure les changements hémodynamiques au niveau des principales artères cérébrales, alors que la fNIRS mesure les changements dans le cortex. Par conséquent, la dts fTCD peut remplir des détails importants sur les changements hémodynamiques cérébraux en réponse à l’activation neuronale, qu’aucune autre modalité de neuroimagerie n’est actuellement capable de mesurer.
Les applications potentielles de la TCD comprennent la surveillance de la formation d’embolies cérébrales pendant la chirurgie cardiaque16 et la surveillance pour détecter le résultat du traitement par activateur tissulaire du plasminogène pour l’AVC21. Les applications potentielles de la fTCD comprennent toute question de recherche impliquant la réponse neuronale à des stimuli internes ou externes, telles que l’étude du traitement latéralisé du langage dans le cerveau humain2,3,4, la stimulation somatosensorielle du « toucher »5, ou la latéralisation du traitement visuel6. En outre, la dts fTCD peut être utilisée pour étudier les réponses physiologiques (avec ou sans changements d’activité neuronale) à des stimuli tels que l’exercice22 et la rétention de la respiration13,15,23. Enfin, le faible coût, la portabilité et la simplicité de la dtsf rendent l’imagerie d’un grand nombre de sujets pratique, un avantage par rapport à l’IRMf et à d’autres modalités de neuroimagerie telles que la TEP, par exemple lors du dépistage de la maladie d’Alzheimer préclinique15.
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Ce projet est basé sur des recherches qui ont été partiellement soutenues par la Nebraska Agricultural Experiment Station avec un financement de la Loi Hatch (numéro d’acquisition 0223605) par l’intermédiaire de l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE
Demande d’autorisationThis article has been published
Video Coming Soon