기술은 광범위하게 microbubbles와 초음파를 사용하여 마우스의 혈액 - 뇌 장벽을 여는 대해 설명되어 있습니다. 이 기법을 사용하여, 망간은 마우스 뇌에 관리할 수 있습니다. 망간은 depolarized 뉴런에 축적 MRI 대비 에이전트이기 때문에, 이러한 방식의 연결 활동의 이미징을 가능하게합니다.
생쥐는 신경 과학, 마우스의 기능 neuroimaging의 유전 및 분자 토대를 공부에 대한 지배적인 모델 시스템이지만 것은 기술적으로 도전 남아있다. 하나의 접근 방법, 정품 인증 유발 망간 향상된 MRI (AIM MRI)는 설치류 1-5에의 연결 활동을 매핑하는 데 성공적으로 사용되었습니다. AIM MRI에서는 MN 2 + 칼슘 아날로그를 역할을하고 depolarized 뉴런 6,7 년 쌓입니다. MN 2 + T 1 조직 속성을 단축하기 때문에 고가의 연결 활동 지역은 MRI로 향상됩니다. 또한, MN 2 + 활성화된 지역에서 서서히 걷히고 있으므로 자극이 큰 실험적인 유연성을 가능하게 사전 이미징에 자석 외부에서 수행할 수 있습니다. 다만, MN 2 + 즉시 특히 생쥐의 혈액 뇌 장벽 (BBB) BBB는 AIM MRI의 사용을 제한하고있다 열 필요성을, 교차하지 않기 때문에.
BBB를 열기위한 하나의 도구 ult입니다rasound. 위험성이 있지만 초음파는 가스입 microbubbles (즉, 초음파 대비 에이전트)과 함께 시행되는 경우, BBB 오프닝에 필요한 음향 압력은 상당히 낮습니다. 초음파 및 microbubbles의이 조합이 안정적으로 조직 손상 8-11를 일으키는없이 BBB을 여는 데 사용할 수 있습니다.
여기서 방법은 BBB를 엽니다 microbubbles와 초음파를 이용하여 MRI AIM 수행을 위해 제공됩니다. perflutren의 microbubbles의 정맥 주사 후, 산만 펄스 초음파 빔는 3 분 동안 면도 마우스 머리에 적용됩니다. 단순 위해서는 Microbubbles 및 BOMUS 12 등 초음파와 BBB 영업이 기법을 참조하십시오. 양쪽 대뇌 반구에 걸쳐 BBB를 엽니다 BOMUS를 사용하여 망간은 전체 마우스 두뇌로 관리합니다. 가볍게 좀 진정 생쥐의 실험 자극 후, AIM MRI가의 연결 응답을 매핑하는 데 사용됩니다.
에이 접근법을 보여주는, 여기 BOMUS 및 AIM MRI도 13 가볍게 마취 생쥐의 vibrissae의 일방적인 기계적 자극을 매핑하는 데 사용됩니다. BOMUS 양쪽 반구에 걸쳐 BBB를 열 수 있기 때문에 뇌의 unstimulated 측면은 특이 현상이 배경 자극에 대해 제어하는 데 사용됩니다. 결과 3D 활성화지도 총신 분야 피질 14 vibrissae 지역의 출판 표현과 잘 동의한다. BBB의 초음파 개통은 빠른 비침 투, 그리고 가역입니다; 때문에 이러한 방식은 깨어있는 생쥐의 높은 처리량 및 / 또는 종단 연구에 적합합니다.
1. 초음파 시스템 조립 및 보정
2. 시약을 준비한다
3. 동물 준비
4. Microbubbles 및 울트라 사운드 (BOMUS)와 혈액 - 뇌 장벽 개관
5. 의 연결을 자극
6. MagnetiC 공명 이미징
7. 이미지 분석
8. 대표 결과
여기에 제시된 방법은 두 가지 기금이 있습니다 amental 단계 : Microbubbles 및 초음파 (BOMUS)와 (1) BBB 오프닝 및 (2) 활성화 유발 망간 향상된 MRI (AIM MRI). 후자의 단계 전에 달려 있기 때문에 성공적인 구현 BOMUS를 확인하는 것이 중요합니다.
T 1-단축 대비 에이전트 (예 : 망간 또는 가돌리늄 기반 에이전트 등) T에서 뇌 실질 조직의 신호 증가 1-가중 영상에서 결과의 행정 후에 혈액 - 뇌 장벽의 파괴 두뇌에 비해 어느 BOMUS에서 (그림 4) 수행되지 않았습니다. 그것이 동물간에 매우 일관성이 있지만, 이러한 망간 향상의 분포는 완전히 균일하지 않습니다. 분포 BBB 오프닝에서뿐만 아니라 inhomogeneity를 반영뿐만 아니라 뇌의 19 이내 MN의 본질이 아닌 균일한 분포입니다. BBB 오프닝의 공간적 및 시간적 역학 관계는 더 이전 12 설명되어있다.
엔트 "> BOMUS이 성공적으로 구현되면 다음 단계는 목표는 MRI를 수행하는 것입니다 많은 실험적인 패러다임이 가능합니다,.. 그러나 많은 잠재력의 confounds, 컨트롤 및 분석 있기 때문에 신중하게 설계되어야 혼란함을 주죠 효과 inhomogeneous BBB 개구를 포함, 뇌, MN 확산의 시간적 역학 및 특이 현상의 연결 활동 MN의 inhomogeneous 축적.이 예제에서는 vibrissae의 일방적인 자극으로의 연결 응답이 매핑되었다. inhomogeneities와 미네소타 유량, 각 뇌의 unstimulated 측면 용도에 대한 상세한 설명 내부 통제로 사용되었다. 동물 사이에 차이가있을 특이 현상의 연결 행위를 정산하는 데, 분석 동물 (그림 2) 사이에서 일관되게 달랐다 영역을 식별하는 통계적 테스트를 사용했습니다. 결과는 입체 차이가지도하고 있었다 입체 P-값은지도 (그림 3), 영역을 표시하는 오른쪽의자극 vibrissae에 contralateral 높은 신호. 지도의 왼쪽 영역이 자극 vibrissae에 ipsilateral 상당히 높은 신호를 가지고있는 지적했다. P-값지도 응답 자극이 광범위하게 전기 생리학 20,21 및 2-deoxyglucose 연구에 의해 문서화되었습니다 vibrissae하는 일차 감각 피질의 배럴 필드로 통신을 자극 vibrissae에 contralateral 높은 신호의 광범위한 지역을 확인. 이러한 결과의 더 완전한 논의는 이전에 13 게시되었습니다.
그림 1. BOMUS 및 AIM MRI (Howles 외에서 적응. 13)과 기능적인 neuroimaging을위한 프로토콜 타임 라인.
지역 O를 식별하는 그림 2. 분석 제도각 뇌의 자극과 unstimulated 양측 간의 F 서로 다른 강도. 그 contralateral unstimulated 편으로 각 뇌의 자극 측면을 비교하려면이 중복과 왼쪽 unstimulated 이미지 집합이 만들어집니다 미러. 이러한 이미지는 등록 여과 및 표준됩니다. 마지막으로, 검사에서 왼쪽 자극과 왼쪽 unstimulated 이미지를 비교합니다. 각 뇌의 자극 측면에만 동일한 뇌의 unstimulated 측면에 비해되도록 t 시험은 "이점"입니다. t 시험은 P-값은지도의 반대쪽이의 unstimulated 측면에 상당히 높은 신호를 나타내며 P-값지도의 한쪽은 두뇌의 자극 측면에서 상당히 높은 신호를 나타냅니다 있도록 "단일 꼬리"입니다 뇌 (Howles 외에서 적응. 13).
그림 3. 두 개의 서로 다른 축방향 위치에서 일곱 동물의 풀링된 분석 결과. 티 그는 첫 번째 열에는 효과적 모든 생쥐들이 왼쪽 vibrissae는 자극했다 있도록 정렬 등록된 모든 이미지의 의미를 보여줍니다. 이러한 이미지는 contralateral 반구 각 voxel 상대에서 신호의 평균 % 증가를 나타내는 컬러지도와 중첩되며, 같은 색상 막대로 표시. 자극에 contralateral 반구가 높은 신호를 가지고있는 이미지의 오른쪽에있는 컬러 지역 보여줍니다. 자극에 ipsilateral 반구가 높은 신호를 가지고있는 이미지의 왼쪽에 컬러 지역 보여줍니다. 두 번째 열은 신호의 증가의 통계적 의미를 나타내는 P-값지도 중첩 같은 이미지를 보여줍니다. 세 번째 열 (Howles 외에서 적응. 13) 음영 감각 피질의 총신 필드 Paxinos stereotaxic 아틀라스 16 일부터 해당 인물에 중첩 같은 P-값지도를 보여줍니다.
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그림 4. + 두뇌에 MN 2 공간적 분포. 이미지 (N = 5) 및 제어 (N = 4) 생쥐에게 BOMUS-대우에서 0.5 mmol / kg IP MnCl이 후 170 분을 인수했다. 정규화 후, 의미 및 표준 편차지도는 (왼쪽 패널) 계산되었다. 향상은 BOMUS-대우 생쥐에 늘어납니다. 이러한 향상은 두뇌에 걸쳐 균일 아니었지만, 그것은 두뇌와 심실의 가장자리 근처를 제외하고 비교적 일관했습니다. 각종 구조물 주위에 그려진 관심 지역 (ROIs)을 사용하여 평균 SNR은 (+ 1 SD) 각 그룹 (오른쪽 패널)을 통해 계산되었다. BOMUS - 대우 동물은 큰 SNR을 보여주뿐만 아니라 구조 사이의과 동물 사이에 큰 편차 (Howles 외에서 적응. 13).
그림 5. BOMUS의 조직 효과를 검토하기 위해서는 BOMUS-대우 생쥐의 두뇌는 고정되어 있었는데, SE500 ctioned - μm의 간격, 그리고 hematoxylin 및 eosin 물들일. 뇌의 각 부분에서 본 붉은 혈액 세포 extravasations의 평균 개수는 0.36 MPA (N = 3), 0.52 MPA (N = 4), 및 5.0 MPA (N = 1)의 음향 압력에 대해서만 표시됩니다. 오차 막대는 표준 오류를 표시합니다. 두 번째 패널은 5.0 MPA (Howles 외에서 적응. 12)에 노출 두뇌에서 심각한 적혈구의 넘쳐 흐름의 예를 보여줍니다.
6 그림. 양적 행동 테스트를 마취하기 전에 활동, 각성, 그리고 응답을 평가하는 데 사용, 3, 24 시간 마취에서 회복 후되었습니다. 채점 시스템은, 이전에 12 설명이 잘 창업 양적 마우스 행동 평가 개발을 바탕으로했다1968 22 어윈에 의해 에드. 평균 동작 (± SEM) 제어를위한 점수 (N = 3)과 BOMUS (0.36 MPA) 취급 (N = 8) 동물이 표시됩니다. 사전 마취 기준에 상대적으로, 모든 동물 3 시간 마취 후 행동 점수의 감소를 보여,하지만 그들은 대부분 다음날로 복구합니다. 각 시점에서 아무런 차이가 BOMUS은 잴 수있을 정도로 동물의 행동을 (Howles 외에서 적응. 12)에 영향을 미치지 않았다고 나타내는 두 그룹 사이에 본 적이되었다.
여기 방법 noninvasively 초음파 및 microbubbles (BOMUS)로 전체 마우스 뇌 전체에 BBB를 열기 위해 제시되었다. BBB 오픈과 함께, MN 2 + 투여되었으며 활성화 유발 망간 향상된 MRI는 (AIM MRI) 가볍게 진정제를 생쥐의 짧은 기간 동안의 자극에 대한 이미지의 연결 응답에 사용되었다.
적절한 BBB 오프닝은 0.36 MPA의 피크 - 부정적인 음향 압력으로 실현됐다. 참고 이것은 초음파 빔의 중심에서 두피 표면의 압력이다. 단일 요소 변환기의 빔 프로파일 측정은 빔 가장자리 음향 압력이 약 0.12 MPA는 것을 나타냅니다. 그 후, 두개골을 통해 감쇠는 약 25 % 뇌에 도달 압력을 감소 (23. 최 외 토대로 derating 및 주파수에 따라 조정). 이것은 BBB 장애가 (우리의 빔의 중심에서 0.09 MPA의 피크 - 부정적인 음향 압력에서 발생 나타냅니다) 0.03 MPA (가장자리)에. 이러한 압력은 다른 곳에서 24 보고된 수준 (일반적으로 0.4-0.5 MPA)보다 낮습니다. 이 감소 압력 한계는 다른 사람에 비해이 작품 (약 1.2 ML / ㎏)에 사용되는 지질 microbubbles의 높은 복용으로 인해 발생했을 수 있습니다. 사용 microbubbles의 복용은 권장되는 진단 인간의 선량 (10 μL / ㎏)보다 높은있을 때, 부정적인 영향은 관찰되지 않았다.
여기에 지정된대로 BOMUS 기술은 비침 투와 가역 수 있지만 그것은 손상을 줄 수있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이전의 작품 12, BOMUS로 치료 생쥐 histologic 손상 (그림 5)와 행동 변화 (그림 6)에 대해 평가했다. 0.36 MPA의 피크 - 부정적인 음향 압력이없이 관찰된 부정적인 영향 (그림 6)과 관련된 있었다. 그러나 0.52-MPA BOMUS는 동물의 하위 집합에서 했습니다만 적혈구 세포 extravasations 소수와 관련된 ( 그림 5 trong, 일부 동물은 수술 후 완전히 회복되지 않았다. 우리는 넘쳐 흐름을 일으키지 않습니다 음향 압력 AIM MRI 실험을 위해 사용해야하는 것이 좋습니다.
BOMUS 기법이 잠재적 피해는 것처럼, 망간 독성도 25 잘 알려져있다. MN 2 +는 신경근육학 접합 26 신경계 27 독성 영향을 미칠 것으로 알려져 있습니다. 이 효과에 대한 메커니즘은 알 수 있지만이 독성은 행정부 후 생쥐의 졸림에 대한 가능성이 담당합니다. 자극의 약 최초 60 분, 마우스가 약간 졸리는하지만 그러한 발가락 핀치 등의 통증 자극에 반응이 여전히 남아있다. 이것은 마우스가 물리적 구속없이 자극을 용납하실 수 있습니다. 우리의 경험에서이 졸림은 동물 불안이 될 수있는 후 60 분 정도에 적합합니다. 추가 화학적 구속이 될 수 있습니다nosecone 통해 isoflurane 5 % 약 15 초 정도로 필요에 따라 chieved. 이 예제에서, 졸림이 vibrissae의 자극을 촉진 있지만, 그것은 또한 배럴 피질에의 연결 반응을 감소된다.
단순히 MN 2 +의 관리 이외에 BOMUS 기술은 세계적으로 다른 진단 또는 치료 대리인을 관리하는 데 사용할 수 있습니다. 이전 직장에서 BOMUS가 뇌로 GD-DTPA, MRI 대비 에이전트를 관리하는 데 사용되었습니다. 그럼에도 불구하고 12 일 많은 질문 BOMUS 구현할 BBB의 투자율의 자연 현상에 대해 유지됩니다. 첫째, 크기 대리인 BOMUS 후 BBB를 건너 수있는 무엇 확실하지 않습니다. MN이 모두 +와 GD-DTPA (500 다)는 매우 작은 분자입니다. 둘째, 그것은 BBB의 투자율은 뇌 이상 차이가 얼마나 명확하지 않습니다. 셋째, 그것은 BBB가 열리는 비교적 이진 효과인지 여부를 확실하지 않습니다, 또는 특정 오프닝 파라미터는 재료의 크기 또는 속도에 영향을 미칠 수있다면침투. GD-DTPA는 위의 연구에 두뇌를 통해 비교적 균일하게 분포돼 있지만, 그것은 투자율의 모든 차이를 밝히지 너무 작고 너무 diffusible했을 수 있습니다.
BOMUS에 관한 이러한 불확실성에도 불구하고, 방법은 신속 + AIM-MRI의 목적을 위해 MN 2 관리를위한 효과적입니다. AIM-MRI는 생쥐 28-30의 장기 (1~2일) 자극에 대한 반응의 연결을 매핑하는 생쥐에 사용하지만,이 새로운 접근 방식으로 단기 자극 실험은 이제 가능되었습니다. 이전에는 미네소타 2의 급속한 행정부는 + hypertonic mannitol의 intracarotid 주입을 이용한 삼투 BBB 장애에서만 가능했습니다. 이 접근법은 쥐와 큰 동물 모델에서만 실천했지만 심지어 쥐에서는 이러한 연구는 기술의 invasiveness과 unilaterality에 의해 제한되었다. BOMUS가 noninvasively 수행할 수 있기 때문에 깨어있는 자극과 종방향 연구는 이제 수 있어야한다. 또한, 베카MN 2를 사용 + 양쪽 대뇌 반구를 관리하실 수 자극 패러다임의 넓은 범위가 가능합니다. 위의 예제에서, 양국 행정부 MN 2 + unstimulated 반구가 아닌 구체적인 배경 자극에의 연결 응답이 일방적 vibrissae의 자극에 대한 응답에서 분리 수 있도록 내부 통제의 역할을하는 것을 허용했다.
불특정 배경 자극에 대한 통제뿐만 아니라, unstimulated 반구도 망간 행정부의 균질성 및 일관성을위한 제어하는 데 사용되었습니다. 다른 망간 향상된 MRI 실험 19에서 본 바와 같이, 유통 데이터는 (그림 4) BOMUS 기술은 두뇌의 균질 향상을 제공하지 않는다는 것을 나타냅니다. 따라서, 적절한 컨트롤 (컨트롤 동물이나 unstimulated 반구)없이 높은 기준 강화와 영역은 누구의 ele 지역의 구별하기가 어렵습니다vated 신호의 연결 활동으로 인한 것입니다.
기준 MN 2 + 강화가 균질하지, 패턴이 개인들 사이에 상당히 일치했지만. 그럼에도 불구하고,이 기준 향상에 조그만한 변화는 AIM-MRI 신호를 가리는 수 있습니다. 이 예제에서 우리는 여러 동물 이상의 AIM-MRI 신호를 평균하여이 잠재적인 문제를 해결. 또는 기준 강화의 차이는 사전 자극 이미지를 획득하여를 차지했다 수 있습니다.
여기에 제시된 방법은 바람에 높은 충실도 이미지 등록을 필요로 상당한 통계적 이미지 분석을 필요로합니다. 원본 데이터가 관심의 구조보다 충분히 미세한입니다 해상도 (전 3 차원에)와 함께 취득하는 경우 물론 이러한 등록은 의미이다. 이 예제에서는 3D 이미지는 거의 등방성 voxels과 우수한 허용 각각의 차원에서 약 160 미크론을 획득했다해부 등록. 그럼에도 불구하고, 이미지 등록 증진의 방법-약간 misregistration 수 평균 아웃 아주 작은 영역의 공간적 해상도를 제한할 수 있습니다. 그들은 가늘게 계층 증진을 가지고 뇌를 함께 제자리가 종종 있기 때문에 소뇌 및 후각 전구는 등록이 특히 어려울 수 있습니다.
여기, 우리는 깨어있는 생쥐의 짧은 기간 동안 자극에의 연결 응답을 매핑하는 방법을 제시했습니다. 간단하지가지만, 방법은 상대적으로 실용적이고 액세스할 수 있습니다. 제한과 미묘 이러한 세부적인 논의는 희망 독자가 자신의 실험적인 질문 기법을 적용할 수 있도록해야합니다.
관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
모든 작품은 VIVO 현미경에 대한 공작 센터, NIH / NIBIB에서 수행되었다 국립 바이오 메디컬 기술 리소스 센터 (P41 EB015897)와 NCI 작은 동물 이미징 자원 프로그램 (U24 CA092656). 추가 지원은 NSF 대학원 연구 원정 (2,003,014,921)에서 제공했습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
시약의 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
수중 처음기 | Sonora 의료 장비, Longmont, CA | SN S4-251 | |
번역 단계 | 뉴 포트 주식 회사, 얼바인, 캘리포니아 | ||
초음파 변환기 | 올림푸스 뉴펀들랜드 서머 타임, 주식 회사, Waltham 석사 | A306S-SU | 카탈로그에 나와있는 명목 주파수에 따라 다를 수도 특정 변환기의 정확한 중심 주파수를 찾기 위해 변환기와 함께 제조 업체의 테스트 시트를 검토합니다. (예, 우리 듀서의 공칭 주파수는 2.25 MHz의했지만 실제 중심 주파수는 2.15 MHz의였다.) |
Vevo 이미징 역 | VisualSonics 주식 회사 토론토, 캐나다 | ; | |
50dB 전력 증폭기 | E & I, 로체스터, NY | 모델 240L | |
신호 발생기 | 애질런트 테크놀로지, 산타 클라라, 캘리포니아 | 모델 33220A | |
MnCl 2 - (H2O) 4 | 시그마 | 분자량은 배치에 따라 다르며, 정확한 측정을 위해 제조 업체에 연락 | |
Perflutren 지질 microspheres | Lantheus 의료 이미징, 북아 일 Billerica, MA | DEFINITY | |
Microsphere의 교반기 | Lantheus 의료 이미징, 북아 일 Billerica, MA | VIALMIX | |
MR 이미징 코일 | m2m 이미징 주식 회사, 번지, OH | 35mm 직경의 직교이 전송 / 볼륨 코일을받을 | |
MRI 시스템 | GE 헬스케어, Milwauke전자 위스콘신 | 7-T 수평 구멍 자석을 운영 GE의 자극 콘솔 | |
이미지 분석 환경 | 얼굴 이미징, 샌디에고, 캘리포니아, MathWorks, Natick MA | Amira MATLAB |
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