Ecografia doppler transcranici funzionale per il monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale

Riepilogo

L'ecografia Doppler transcraniale funzionale integra altre modalità di imaging funzionale, con la sua misurazione ad alta risoluzione temporale dei cambiamenti indotti dallo stimolo nel flusso sanguigno cerebrale all'interno delle arterie cerebrali basali. Questo documento sui metodi fornisce istruzioni dettagliate per l'utilizzo di ultrasuoni Doppler transcranici funzionali per eseguire un esperimento di imaging funzionale.

Abstract

L'ecografia Doppler transcraniale funzionale (fTCD) è l'uso dell'ecografia Doppler transcranico (TCD) per studiare l'attivazione neurale che si verifica durante stimoli come il movimento fisico, l'attivazione di sensori tattili nella pelle e la visualizzazione di immagini. L'attivazione neurale è dedotta da un aumento della velocità del flusso sanguigno cerebrale (CBFV) che fornisce la regione del cervello coinvolta nell'elaborazione dell'input sensoriale. Ad esempio, la visualizzazione di luce intensa provoca un aumento dell'attività neurale nel lobo occipitale della corteccia cerebrale, portando ad un aumento del flusso sanguigno nell'arteria cerebrale posteriore, che fornisce il lobo occipitale. In fTCD, i cambiamenti in CBFV sono utilizzati per stimare i cambiamenti nel flusso sanguigno cerebrale (CBF).

Con la sua misurazione ad alta risoluzione temporale delle velocità del flusso sanguigno nelle principali arterie cerebrali, fTCD integra altre tecniche di imaging funzionale consolidate. L'obiettivo di questo documento sui metodi è fornire istruzioni dettagliate per l'utilizzo di fTCD per eseguire un esperimento di imaging funzionale. In primo luogo, verranno descritti i passaggi di base per identificare l'arteria cerebrale media (MCA) e ottimizzare il segnale. Successivamente, verrà descritto il posizionamento di un dispositivo di fissazione per tenere la sonda TCD in posizione durante l'esperimento. Infine, verrà dimostrato l'esperimento di mantenimento del respiro, che è un esempio specifico di un esperimento di imaging funzionale che utilizza fTCD.

Introduzione

Nella ricerca neuroscientifica, è spesso auspicabile monitorare l'attività cerebrale in tempo reale in modo non invasivo in una varietà di ambienti. Tuttavia, le modalità di neuroimaging funzionale convenzionali hanno limitazioni che impediscono la capacità di catturare cambiamenti di attività localizzati e / o rapidi. La vera risoluzione temporale (non nervosa, non retrospettiva) della risonanza magnetica funzionale (fMRI) è attualmente dell'ordine di pochi secondi¹, che potrebbe non catturare cambiamenti emodinamici transitori legati all'attivazione neurale transitoria. In un altro esempio, sebbene la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) abbia un'alta risoluzione temporale (millisecondi) e una ragionevole risoluzione spaziale, può solo sondare i cambiamenti emodinamici all'interno della corteccia cerebrale e non può fornire informazioni sui cambiamenti che si verificano nelle arterie più grandi che alimentano il cervello.

Al contrario, fTCD – classificato come una modalità di neuroimaging – "imaging" si riferisce alle dimensioni del tempo e dello spazio, piuttosto che a due direzioni spaziali ortogonali che sono più familiari in una "immagine". fTCD fornisce informazioni complementari ad altre modalità di neuroimaging misurando cambiamenti emodinamici ad alta risoluzione temporale (tipicamente 10 ms) in posizioni precise all'interno dei vasi della circolazione cerebrale basale. Come con altre modalità di neuroimaging, fTCD può essere utilizzato per una varietà di esperimenti come lo studio della lateralizzazione dell'attivazione cerebrale durante i compiti legati al linguaggio^2,3,4, lo studio dell'attivazione neurale in risposta a vari stimoli somatosensoriali⁵e l'esplorazione dell'attivazione neurale in vari stimoli cognitivi come compiti visivi⁶, compiti mentali⁷e persino produzione di strumenti⁸.

Sebbene fTCD offra diversi vantaggi per l'uso nell'imaging funzionale, tra cui basso costo delle apparecchiature, portabilità e maggiore sicurezza (rispetto al test Wada³ o alle scansioni di tomografia a emissione di positroni [PET]), il funzionamento di una macchina TCD richiede competenze ottenute con la pratica. Alcune di queste abilità, che devono essere apprese da un operatore TCD, includono la capacità di identificare varie arterie cerebrali e le capacità motorie necessarie per manipolare con precisione la sonda ad ultrasuoni durante la ricerca dell'arteria pertinente. L'obiettivo di questo documento sui metodi è quello di presentare una tecnica per l'utilizzo di fTCD per eseguire un esperimento di imaging funzionale. In primo luogo, verranno elencati i passaggi di base per identificare e ottimizzare il segnale dall'MCA, che perfonde l'80% dell'emisfero cerebrale^9. Successivamente, verrà descritto il posizionamento di un dispositivo di fissazione per tenere la sonda TCD in posizione durante l'esperimento. Infine, verrà descritto l'esperimento di mantenimento del respiro, che è un esempio di un esperimento di imaging funzionale che utilizza fTCD, e verranno mostrati risultati rappresentativi.

Protocollo

Tutte le ricerche su soggetti umani sono state eseguite in conformità con l'Institutional Review Board dell'Università del Nebraska-Lincoln e il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti.

1. Localizzazione del segnale MCA tramite TCD a mano libera

NOTA: "Freehand" TCD si riferisce al funzionamento di TCD con un trasduttore portatile per trovare un segnale CBFV prima di iniziare un esperimento fTCD.

1. Impostazione dei parametri TCD
   1. Mantenere la potenza a un valore ragionevolmente elevato (ad esempio, 400 mW) durante la ricerca iniziale dell'MCA. Una volta individuato il segnale MCA, ridurre il più possibile la potenza mantenendo comunque un segnale "buono" (vedere il passaggio 2.2.7).
      NOTA: L'utilizzo di una potenza ragionevolmente elevata durante la ricerca iniziale non viola il principio "As Low As Reasonably Achievable" (ALARA) di esposizione alla radiazione acustica perché una maggiore potenza consentirà di scoprire il segnale MCA più rapidamente¹⁰.
   2. Impostare il volume del campione su 8-12 mm durante la ricerca iniziale del segnale MCA. Se il segnale è difficile da trovare, aumentare la dimensione del gate per aumentare l'intensità del segnale, ma si noti che questo può incorporare il segnale da una o più arterie vicine nel segnale dall'MCA.
   3. Impostare il guadagno a un livello medio, con l'obiettivo di "mantenere il rumore di fondo al minimo, ma presente"¹⁰.
   4. Impostare il cutoff del filtro passa-alto (normalmente chiamato "soglia") su 50-150 Hz.
   5. Se il soggetto è un adulto, impostare la profondità su 50 mm, che è la profondità media del punto medio del segmento M1 dell'MCA¹⁰ (Figura 1).
      NOTA: questa impostazione verrà discussa in modo più dettagliato nei passaggi successivi. Le impostazioni di profondità per i bambini sono riportate nella Tabella 1.

Figura 1: Rappresentazione del cerchio di Willis e delle principali arterie del sistema circolatorio cerebrale. La biforcazione dell'ICA in ACA e MCA è contrassegnata da un cerchio nero. Viene mostrato il segmento M1 dell'MCA. Questa cifra è stata modificata da²⁴. Abbreviazioni: ACA = arteria cerebrale anteriore; Bif. = biforcazione; ICA = arteria carotide interna; MCA = arteria cerebrale media. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Individuazione della finestra temporale
   NOTA: La finestra temporale, detta anche finestra acustica transtemporale, è una parte del cranio dove l'osso è più sottile^11,permettendo così la trasmissione dell'energia ultrasonica a bassa frequenza attraverso il cranio(Figura 2).
   1. Per neonati e bambini piccoli, individuare la finestra temporale proprio di fronte all'orecchio (lo "spazio intertragale") e sopra il bordo rostrale dell'arco zigomatico, che può essere facilmente sentito sotto la pelle.
   2. Per adolescenti e giovani adulti, individuare la finestra temporale tramite una qualsiasi delle sottofiniste.
      NOTA: la sottofinestro posteriore di solito fornisce il segnale migliore (Figura 2).
   3. Per gli adulti di età pari o superiore a 30 anni, individuare la finestra temporale proprio di fronte all'orecchio.
      NOTA: La finestra acustica diminuisce di dimensioni man mano che le persone invecchiano a causa della crescente porosità dell'osso del cranio, causando ad alcune persone anziane di avere una finestra temporale molto limitata¹². In tali individui, l'insonazione bilaterale dell'MCA è talvolta impossibile.

Figura 2: La finestra transtemporale (contrassegnata dall'ellisse tratteggiata), l'arco zigomatico (freccia) e le sottofinistre¹¹. (A) Sottofinetola frontale. (B) Sottofinetola anteriore. (C) Sottofinetola centrale. (D) Sottofinetola posteriore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Applicazione del trasduttore
   1. Applicare abbastanza gel ad ultrasuoni per coprire la superficie del trasduttore.
      NOTA: Quando viene posizionato sulla testa, il gel deve coprire uno spazio sufficiente per mantenere una tenuta tra il cuoio capelluto e la superficie della sonda Doppler, evitando così l'interruzione del segnale dall'accoppiamento dell'aria sotto la superficie della sonda.
   2. Avvisare il soggetto che il gel potrebbe sentire freddo (se a temperatura ambiente).
   3. Posizionare il trasduttore sulla finestra temporale, che si trovava al punto 1.2.
4. Ricerca dell'MCA
   1. Dopo aver posizionato il trasduttore sul cuoio capelluto, cercare il segnale MCA, che generalmente si troverà leggermente anteriore (in avanti) e rostrale (verso la testa) dalla posizione del posizionamento iniziale del cuoio capelluto del trasduttore¹⁰.
   2. Se il segnale spettrale TCD non è immediatamente evidente, regolare l'angolo del trasduttore mantenendolo nella stessa posizione rispetto al cuoio capelluto. Inclinare lentamente la sonda da rostrale a caudale (verso i piedi) e posteriore a anteriore.
      NOTA: la Figura 3 mostra due spettri presi dalla stessa posizione, ma ad angoli diversi.
   3. Se un segnale è ancora assente dopo aver eseguito il passaggio 1.4.2, controllare il display a colori in modalità M per il flusso nell'MCA a diverse profondità (indicate dalla colorazione rossa). Incrementare o decrementare la profondità del segnale in passi di 5 mm e cercare come descritto al punto 1.4.2. Se il flusso è visibile in modalità M ma non nello spettro Doppler, aumentare o diminuire la profondità fino a quando il segnale di flusso è visibile nello spettro Doppler.
   4. Se non si ottiene ancora un segnale soddisfacente, spostare il trasduttore in una posizione vicina sul cuoio capelluto, che è leggermente più anteriore, e ripetere i passaggi 1.4.1-1.4.3.
   5. Quando si ottiene un segnale MCA ottimale, annotare la profondità e la velocità massima.
   6. Utilizzando una penna per il trucco lavabile, posizionare un segno sul cuoio capelluto (parte traccia del bordo del trasduttore) dove è stato trovato il segnale ottimale.

Figura 3: Esempi di spettri Doppler e immagini in modalità M dal punto medio del segmento M1 dell'MCA. (A) Spettro preso subito dopo aver applicato il trasduttore alla finestra temporale, proprio di fronte all'orecchio. (B) Spettro Doppler campione nella stessa posizione e profondità di (A). L'unico cambiamento è che il trasduttore è stato inclinato verso l'alto (superiormente) leggermente. In entrambi (A) e (B), profondità = 50 mm, guadagno = 50, volume del campione = 12 mm, potenza = 420 mW/cm²e filtro = 100 Hz. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Ricerca della biforcazione
   NOTA: Trovare la biforcazione dell'arteria carotide interna (ICA) è importante per aiutare a confermare che l'MCA è l'arteria monitorata. Questa fase deve essere eseguita su entrambi i lati se verrà eseguito il monitoraggio bilaterale, poiché la biforcazione potrebbe non essere alla stessa profondità su entrambi i lati.
   1. Aumentare la profondità fino a quando non si nota il segnale dalla biforcazione dell'ICA nell'MCA e nell'ACA (Figura 4), in genere ad una profondità di 51-65 mm¹⁰.
   2. Cercare il segnale spettrale di biforcazione ottimale utilizzando la procedura descritta al punto 1.4.2. Cerca sempre il segnale spettrale più alto possibile¹⁰.
   3. Quando si ottiene un segnale di biforcazione ottimale, notare la profondità della biforcazione.
   4. Per il monitoraggio bilaterale, ripetere i tratti 1.1–1.4 e 1.5.1–1.5.3 sull'altro lato della testa.

Figura 4: Immagine spettrale Doppler (in alto) e in modalità M (in basso) della biforcazione dell'ICA nell'MCA e nell'ACA. Profondità = 65 mm, guadagno = 50, volume del campione = 12 mm, potenza = 420 mW/cm²e filtro = 100 Hz. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Riposizionamento dell'MCA dopo aver posizionato un dispositivo di fissaggio

NOTA: per gli esperimenti fTCD, è necessario monitorare CBFV per 10-90 minuti o più. Pertanto, un dispositivo di fissaggio (Figura 5) è fondamentale per fornire stabilità.

1. Posizionamento del dispositivo di fissaggio
   1. Mediante ispezione visiva, regolare il dispositivo di fissaggio (Figura 5) in base alle dimensioni approssimative della testa del soggetto.
   2. Avvisare il soggetto prima di posizionare l'auricolare sulla sua testa. Posizionare l'auricolare sulla testa del soggetto.
      NOTA: se il soggetto ha i capelli lunghi o folti, potrebbe essere necessario legare i capelli del soggetto, a seconda del dispositivo di fissazione utilizzato.
   3. Regolare la vestibilità del dispositivo di fissaggio e chiedere al soggetto se il dispositivo è troppo stretto.
      NOTA: il dispositivo deve essere abbastanza stretto da non muoversi quando urtato leggermente, ma abbastanza sciolto da non scomodare il soggetto.

Figura 5: Soggetto che indossa un dispositivo di fissaggio personalizzato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Individuazione del segnale MCA
   1. Allentare il meccanismo del dispositivo di fissazione tenendo il trasduttore in posizione (ad esempio, allentare il meccanismo, mostrato in Figura 5, ruotando una manopola in senso antiorario) in modo che il trasduttore possa muoversi liberamente.
   2. Avvisare il soggetto prima di applicare il gel ai trasduttori (che dovrebbero essere già in posizione dal paragrafo 2.1) e che il gel potrebbe essere freddo (se è stato conservato a temperatura ambiente).
   3. Applicare abbastanza gel ad ultrasuoni sul trasduttore per coprire la faccia del trasduttore.
   4. Regolare il dispositivo di fissaggio in modo che il trasduttore si trovi sopra la parte superiore del segno fatto al punto 1.4.6.
   5. Cercare il segnale spettrale MCA ottimale utilizzando la procedura descritta nei passaggi 1.4.1–1.4.3. Cerca sempre il segnale spettrale più alto possibile¹⁰.
      NOTA: rispetto al TCD a mano libera, la profondità ottimale alla quale si trova l'MCA utilizzando il dispositivo di fissaggio può differire leggermente (al massimo 1-2 mm) dalla profondità del dispositivo a mano libera. Questo perché il dispositivo di fissaggio può tenere il trasduttore leggermente più lontano dal cuoio capelluto pur mantenendo una guarnizione in gel di accoppiamento.
   6. Quando viene trovato il segnale spettrale MCA ottimale, stringere il meccanismo del dispositivo di fissazione per bloccare il trasduttore in posizione. Nota la profondità e tutte le altre impostazioni.
   7. Diminuire il più possibile la potenza (vedere il passaggio 1.1.1) pur mantenendo un inviluppo spettrale che traccia con precisione la velocità massima.
   8. Per il monitoraggio bilaterale,ripetere i passaggi da 2.2.1 a 2.2.7 dall'altra parte.

3. Esecuzione di una manovra di tenuta del respiro

NOTA: questa sezione è fornita come esempio di un esperimento funzionale che può essere eseguito utilizzando la configurazione sperimentale descritta nella sezione 1 e nella sezione 2.

1. Eseguire tutti i passaggi descritti nella sezione 1 e nella sezione 2.
2. Iniziare la registrazione sul software TCD.
3. Respirare normalmente per 3 minuti per ottenere una buona registrazione di base e consentire al CBFV di stabilizzarsi da eventuali esperimenti o stimoli precedenti.
4. Conto alla rovescia lentamente da tre. Sul conteggio di uno, chiedi al soggetto di iniziare a trattenere il respiro seguendo una normale ispirazione¹³.
   NOTA: Il soggetto non deve inalare profondamente, in quanto ciò diminuirebbe l'anidride carbonica nei polmoni e diminuirebbe la probabilità di osservare l'aumento di CBFV a causa della reattività cerebrovascolare. Il soggetto dovrebbe anche evitare di eseguire una manovra di Valsalva, in cui la pressione intratoracica è sostanzialmente aumentata contro un'ispirazione trattenuta¹⁴.
5. Posiziona un marcatore nella registrazione TCD per indicare l'inizio della presa del respiro.
6. Fai trattenere il respiro al soggetto per 30 anni o fino a quando non si sente più a suo agio nel trattenere il respiro.
7. Quando il soggetto inspira, posiziona un marcatore nella registrazione TCD per indicare la fine del respiro.
8. Continuare a monitorare CBFV utilizzando TCD e registrare per almeno 30 s dopo la fine del respiro per garantire che CBFV ritorni ai valori basali.

Risultati

La Figura 3 mostra gli spettri Doppler di esempio e le modalità M di colore dal punto medio del segmento M1 dell'MCA. Figura 3A,B sono stati presi nella stessa posizione sul cuoio capelluto, ma ad angoli diversi. Si noti come un piccolissimo cambiamento di angolo, senza modificare la posizione di contatto sul cuoio capelluto,possa migliorare notevolmente la potenza del segnale Doppler, come mostrato dalla colorazione gialla ad alta int...

Discussione

I passaggi critici nel protocollo includono 1) trovare l'MCA, 2) posizionare l'archetto e 3) eseguire la manovra di mantenimento del respiro.

Possono essere necessarie modifiche a seconda dei soggetti dello studio. Ad esempio, i soggetti con malattia di Alzheimer possono avere difficoltà a seguire le istruzioni, rendendo necessario l'uso di un capnografo per garantire la conformità con le istruzioni di mantenimento del respiro¹⁵. I ba...

Materiali

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