Name: functional neuroimaging using ultrasonic blood-brain barrier disruption and manganese-enhanced mri
Uploaded: 2012-07-12T13:00:00
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Todo el trabajo se realizó en el Centro Duke para la microscopía in vivo, una NIH / NIBIB nacional de Tecnología Biomédica del Centro de Recursos (P41 EB015897) y Instituto Nacional del Cáncer de imágenes de Pequeños Animales del Programa de Recursos (U24 CA092656). El apoyo adicional fue proporcionado por la NSF Graduate Research Fellowship (2003014921).

1. Montar y calibrar el sistema ultrasonido <ol><li> El sistema de ultrasonidos se inicia con un transductor de ultrasonidos de un solo elemento con un diámetro lo suficientemente amplia como para cubrir el cerebro de ratón y una frecuencia central en el intervalo de 2 Mhz. El transductor es impulsado por un amplificador 50-dB de potencia, que está conectada a un generador de señal que produce la secuencia de pulsos de ultrasonido. </li><li> Para calibrar la presión acústica del sistema de ultrasonidos, utiliza ...

<ol>
	<li>Aoki, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+the+anoxic+depolarization+of+focal+ischemia+using+manganese-enhanced+MRI.">Detection of the anoxic depolarization of focal ischemia using manganese-enhanced MRI.</a> Magnet. Reson. Med. 50, 7-12 (2003).</li><li>Aoki, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+activity-induced+manganese-dependent+contrast+magnetic+resonance+imaging.">Dynamic activity-induced manganese-dependent contrast magnetic resonance imaging.</a> DAIM MRI). Magnet. Reson. Med. 48, 927-933 (2002).</li><li>Duong, T. Q., Silva, A. C., Lee, S. P., Kim, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+MRI+of+calcium-dependent+synaptic+activity:+Cross+correlation+with+CBF+and+BOLD+measurements.">Functional MRI of calcium-dependent synaptic activity: Cross correlation with CBF and BOLD measurements.</a> Magnet. Reson. Med. 43, 383-392 (2000).</li><li>Lin, Y. J., Koretsky, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manganese+ion+enhances+T-1-weighted+MRI+during+brain+activation:+An+approach+to+direct+imaging+of+brain+function.">Manganese ion enhances T-1-weighted MRI during brain activation: An approach to direct imaging of brain function.</a> Magnet. Reson. Med. 38, 378-388 (1997).</li><li>Lu, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cocaine-induced+brain+activation+detected+by+dynamic+manganese-enhanced+magnetic+resonance+imaging+(MEMRI).">Cocaine-induced brain activation detected by dynamic manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI).</a> P. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 2489-2494 (2007).</li><li>Drapeau, P., Nachshen, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manganese+fluxes+and+manganese-dependent+neurotransmitter+release+in+presynaptic+nerve-endings+isolated+from+rat-brain.">Manganese fluxes and manganese-dependent neurotransmitter release in presynaptic nerve-endings isolated from rat-brain.</a> J. Physiol-London. 348, 493-510 (1984).</li><li>Narita, K., Kawasaki, F., Kita, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mn+and+Mg+influxes+through+Ca+channels+of+motor-nerve+Terminals+are+prevented+by+verapamil+in+Frogs.">Mn and Mg influxes through Ca channels of motor-nerve Terminals are prevented by verapamil in Frogs.</a> Brain Res. 510, 289-295 (1990).</li><li>Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+MR+imaging-guided+focal+opening+of+the+blood-brain+barrier+in+rabbits.">Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits.</a> Radiology. 220, 640-644 (2001).</li><li>Sheikov, N., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F., Hynynen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellular+mechanisms+of+the+blood-brain+barrier+opening+induced+by+ultrasound+in+presence+of+microbubbles.">Cellular mechanisms of the blood-brain barrier opening induced by ultrasound in presence of microbubbles.</a> Ultrasound Med. Biol. 30, 979-989 (2004).</li><li>McDannold, N., Vykhodtseva, N., Raymond, S., Jolesz, F. A., Hynynen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MRI-guided+targeted+blood-brain+barrier+disruption+with+focused+ultrasound:+Histological+findings+in+rabbits.">MRI-guided targeted blood-brain barrier disruption with focused ultrasound: Histological findings in rabbits.</a> Ultrasound Med. Biol. 31, 1527-1537 (2005).</li><li>McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+disruption+of+the+blood-brain+barrier+with+focused+ultrasound:+association+with+cavitation+activity.">Targeted disruption of the blood-brain barrier with focused ultrasound: association with cavitation activity.</a> Phys. Med. Biol. 51, 793-807 (2006).</li><li>Howles, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contrast-enhanced+in+vivo+magnetic+resonance+microscopy+of+the+mouse+brain+enabled+by+noninvasive+opening+of+the+blood-brain+barrier+with+ultrasound.">Contrast-enhanced in vivo magnetic resonance microscopy of the mouse brain enabled by noninvasive opening of the blood-brain barrier with ultrasound.</a> Magnet. Reson. Med. 64, 995-1004 (2010).</li><li>Howles, G. P., Qi, Y., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+disruption+of+the+blood-brain+barrier+enables+in+vivo+functional+mapping+of+the+mouse+barrel+field+cortex+with+manganese-enhanced+MRI.">Ultrasonic disruption of the blood-brain barrier enables in vivo functional mapping of the mouse barrel field cortex with manganese-enhanced MRI.</a> Neuroimage. 50, 1464-1471 (2010).</li><li>Woolsey, T. A., Welker, C., Schwartz, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+anatomical+studies+of+sml+face+cortex+with+special+reference+to+occurrence+of+barrels+in+layer-4.">Comparative anatomical studies of sml face cortex with special reference to occurrence of barrels in layer-4.</a> J. Comp. Neurol. 164, 79-94 (1975).</li><li>Howles, G. P., Nouls, J. C., Qi, Y., Johnson, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+production+of+specialized+animal+handling+devices+using+computer-aided+design+and+solid+freeform+fabrication.">Rapid production of specialized animal handling devices using computer-aided design and solid freeform fabrication.</a> J. Magnet. Reson. Imag. 30, 466-471 (2009).</li><li>Paxinos, G., Franklin, K. B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).</li><li>Cross, D. 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Med. 24, 529-531 (1983).</li><li>Aoki, I., Naruse, S., Tanaka, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manganese-enhanced+magnetic+resonance+imaging+(MEMRI)+of+brain+activity+and+applications+to+early+detection+of+brain+ischemia.">Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI) of brain activity and applications to early detection of brain ischemia.</a> Nmr. Biomed. 17, 569-580 (2004).</li><li>Welker, E., Vanderloos, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+correlation+between+barrel-field+size+and+the+sensory+innervation+of+the+whiskerpad+-+a+comparative-study+in+6+strains+of+mice+bred+for+different+patterns+of+mystacial+vibrissae.">Quantitative correlation between barrel-field size and the sensory innervation of the whiskerpad - a comparative-study in 6 strains of mice bred for different patterns of mystacial vibrissae.</a> J. Neurosci. 6, 3355-3373 (1986).</li><li>McCasland, J. S., Woolsey, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+2-deoxyglucose+mapping+of+functional+cortical+columns+in+mouse+barrel+cortex.">High-resolution 2-deoxyglucose mapping of functional cortical columns in mouse barrel cortex.</a> J. Comp. Neurol. 278, 555-569 (1988).</li><li>Irwin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+observational+assessment+:+A+systematic+quantitative+procedure+for+assessing+behavioral+and+physiologic+state+of+mouse.">Comprehensive observational assessment : A systematic quantitative procedure for assessing behavioral and physiologic state of mouse.</a> Psychopharmacologia. 13, 222-257 (1968).</li><li>Choi, J. J., Pernot, M., Small, S. A., Konofagou, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive,+transcranial+and+localized+opening+of+the+blood-brain+barrier+using+focused+ultrasound+in+mice.">Noninvasive, transcranial and localized opening of the blood-brain barrier using focused ultrasound in mice.</a> Ultrasound Med. Biol. 33, 95-104 (2007).</li><li>McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+ultrasound+pulses+combined+with+definity+for+targeted+blood-brain+barrier+disruption:+A+feasibility+study.">Use of ultrasound pulses combined with definity for targeted blood-brain barrier disruption: A feasibility study.</a> Ultrasound Med. Biol. 33, 584-590 (2007).</li><li>Silva, A. C., Lee, J. H., Aoki, L., Koretsky, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manganese-enhanced+magnetic+resonance+imaging+(MEMRI):+methodological+and+practical+considerations.">Manganese-enhanced magnetic resonance imaging (MEMRI): methodological and practical considerations.</a> Nmr. Biomed. 17, 532-543 (2004).</li><li>Meiri, U., Rahamimoff, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuromuscular+transmission+-+inhibition+by+manganese+ions.">Neuromuscular transmission - inhibition by manganese ions.</a> Science. 176, 308 (1972).</li><li>Aschner, M., Guilarte, T. R., Schneider, J. S., Zheng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manganese:+Recent+advances+in+understanding+its+transport+and+neurotoxicity.">Manganese: Recent advances in understanding its transport and neurotoxicity.</a> Toxicol. Appl. Pharm. 221, 131-147 (2007).</li><li>Watanabe, T., Frahm, J., Michaelis, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Manganese-enhanced+MRI+of+the+mouse+auditory+pathway.">Manganese-enhanced MRI of the mouse auditory pathway.</a> Magnet. Reson. Med. 60, 210-212 (2008).</li><li>Yu, X., Wadghiri, Y. Z., Sanes, D. H., Turnbull, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+auditory+brain+mapping+in+mice+with+Mn-enhanced+MRI.">In vivo auditory brain mapping in mice with Mn-enhanced MRI.</a> Nat. Neurosci. 8, 961-968 (2005).</li><li>Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistical+mapping+of+sound-evoked+activity+in+the+mouse+auditory+midbrain+using+Mn-enhanced+MRI.">Statistical mapping of sound-evoked activity in the mouse auditory midbrain using Mn-enhanced MRI.</a> Neuroimage. 39, 223-230 (2008).</li></ol>

Aquí, un método no invasivo fue presentado por la apertura de la BBB a través del cerebro del ratón entero con ultrasonido y microburbujas (BOMUS). Con la apertura de BBB, Mn 2 + fue administrada y la activación inducida por el manganeso potenciado por resonancia magnética (MRI AIM) se utilizó para la respuesta neuronal a la imagen de corta duración en ratones estimulación ligeramente sedado. Adecuado apertura BBB se logró con una presión acústica de pico negativo de 0...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nombre del reactivo </td><td> Empresa </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentarios </td></tr><tr><td> Hidrófono </td><td> Sonora Medical Systems, Longmont, CA </td><td> SN-251 S4 </td><td></td></tr><tr><td> Traducción fase </td><td> Newport Corporation, Irvine, CA </td><td></td><td></td></tr><tr><td> El ultrasonido transductor </td><td> Olympus NDT, Inc., de Waltham MA </td><td> A306S-SU </td><td> Examen hoja del fabricante de prueba que acompaña al transductor para encontrar el centro exacto de la frecuencia que transductor en particular, que puede diferir de la frecuencia nominal que figuran en el catálogo. (Por ejemplo, la frecuencia nominal de nuestro transductor fue de 2,25 MHz, pero la frecuencia central real fue 2,15 MHz). </td></tr><tr><td> Vevo imágenes de la estación </td><td> VisualSonics, Inc. de Toronto, Canadá </td><td>; </td><td></td></tr><tr><td> 50 dB amplificador de potencia </td><td> E &amp; I, Rochester, NY </td><td> modelo 240L </td><td></td></tr><tr><td> Generador de señales </td><td> Agilent Technologies, Santa Clara, CA </td><td> modelo 33220A </td><td></td></tr><tr><td> MnCl 2 - (H2O) 4 </td><td> Sigma </td><td></td><td> El peso molecular varía según el lote, llame al fabricante para la medición exacta </td></tr><tr><td> Perflutren microesferas de lípidos </td><td> Lantheus Medical Imaging, N. Boston, MA </td><td> DEFINITY </td><td></td></tr><tr><td> Microesferas agitador </td><td> Lantheus Medical Imaging, N. Boston, MA </td><td> Vialmix </td><td></td></tr><tr><td> RM bobina de </td><td> M2M Imaging Corp., Hillcrest, OH </td><td></td><td> 35 mm de diámetro en cuadratura de transmisión / recepción bobina volumen </td></tr><tr><td> Sistema de resonancia magnética </td><td> GE Healthcare, Milwaukee, WI </td><td></td><td> GE consola EXCITE operar un imán 7-T horizontal agujero </td></tr><tr><td> Entorno de análisis de imagen </td><td> Visage Imaging, San Diego, CA, The MathWorks, Natick MA </td><td> Amira MATLAB </td><td></td></tr></tbody></table>

functional neuroimaging using ultrasonic blood-brain barrier disruption and manganese-enhanced mri

Aunque los ratones son el sistema de modelo dominante para el estudio de las bases genéticas y moleculares de la neurociencia, la neuroimagen funcional en ratones sigue siendo un reto técnico. Uno de los enfoques, la activación inducida por el manganeso potenciado por resonancia magnética (MRI AIM), ha sido utilizado con éxito para mapear la actividad neuronal en roedores 1-5. En AIM resonancia magnética, Mn 2 + actúa como un análogo de calcio y se acumula en las neuronas despolarizadas 6,7. Debido a Mn 2 + se acorta la T 1 propiedad del tejido, las regiones de la actividad neuronal elevada mejorará en la RM. Además, Mn 2 + borra lentamente desde las regiones activadas, por lo tanto, la estimulación puede realizarse fuera del imán antes de la imagen, permitiendo una mayor flexibilidad experimental. Sin embargo, debido a Mn 2 + no atraviesa fácilmente la barrera hematoencefálica (BBB), la necesidad de abrir el BBB ha limitado el uso de resonancia magnética de AIM, sobre todo en los ratones. Una herramienta para la apertura de la BBB es ULTrasound. Aunque potencialmente perjudicial, si el ultrasonido se administra en combinación con microburbujas llenas de gas (es decir, los agentes de contraste por ultrasonidos), la presión acústica requerida para la apertura BBB es considerablemente menor. Esta combinación de ultrasonidos y microburbujas puede ser utilizada para abrir de forma fiable la BBB sin causar daño a los tejidos 8-11. Aquí, se presenta un método para la realización de AIM resonancia magnética mediante el uso de microburbujas y ultrasonido para abrir la barrera hematoencefálica. Después de una inyección intravenosa de microburbujas perflutren, un haz desenfocado ultrasonido pulsado se aplica a la cabeza del ratón afeitado durante 3 minutos. Para simplificar, nos referimos a esta técnica de Apertura BBB con microburbujas y ultrasonido como BOMUS 12. Usando BOMUS para abrir la BBB lo largo de ambos hemisferios cerebrales, manganeso se administra al cerebro de ratón conjunto. Después de la estimulación experimental de los ratones ligeramente sedado, AIM resonancia magnética se utiliza para asignar la respuesta neuronal. ADemostramos este enfoque, en este documento y la RM BOMUS AIM se utilizan para asignar estimulación unilateral mecánica de las vibrisas en ratones ligeramente sedado 13. Debido BOMUS puede abrir la BBB lo largo de ambos hemisferios, el lado no estimulada del cerebro se utiliza para controlar para la estimulación de fondo no específica. El mapa resultante de la activación 3D está de acuerdo también con las representaciones de las regiones publicados vibrisas del campo de la corteza barril de 14. La apertura de ultrasonidos de la BBB es rápido, no invasivo y reversible, y por lo tanto este enfoque es adecuado para los estudios de alto rendimiento y / o longitudinales en ratones despiertos.

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Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Una técnica se describe en términos generales para la apertura de la barrera sangre-cerebro en el ratón utilizando microburbujas y ultrasonido. Usando esta técnica, el manganeso se puede administrar al cerebro del ratón. Debido a que el manganeso es un agente de contraste de MRI que se acumula en las neuronas despolarizadas, este enfoque permite imágenes de la actividad neuronal.

Neuroimagen Funcional Utilizando ultrasonidos hematoencefálica perturbación de la barrera y la RM-manganeso mayor

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Measuring the Subjective Value of Risky and Ambiguous Options using Experimental Economics and Functional MRI Methods

La medición del valor subjetivo de las opciones arriesgado y ambiguo utilizando Economía Experimental y Métodos funcionales de resonancia magnética

Most of the choices we make have uncertain consequences. In some cases the probabilities for different possible outcomes are precisely known, a condition ...

Investigación

Neurociencias

Optogenetic Functional MRI

RM funcional Optogenética

The investigation of the functional connectivity of precise neural circuits across the entire intact brain can be achieved through optogenetic functional ...

High-resolution Confocal Imaging of the Blood-brain Barrier: Imaging, 3D Reconstruction, and Quantification of Transcytosis

Alta resolución imagen Confocal de la barrera hemato - encefálica: proyección de imagen, reconstrucción 3D y cuantificación de transcitosis

The blood-brain barrier (BBB) is a dynamic multicellular interface that regulates the transport of molecules between the circulation and the brain. ...

An In Vivo Blood-brain Barrier Permeability Assay in Mice Using Fluorescently Labeled Tracers

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Un en Vivo Barrera Blood - brain permeabilidad ensayo en ratones usando fluorescencia etiquetada trazadores

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An In Vivo Assessment of Blood-Brain Barrier Disruption in a Rat Model of Ischemic Stroke

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Focused Ultrasound Induced Blood-Brain Barrier Opening for Targeting Brain Structures and Evaluating Chemogenetic Neuromodulation

Apertura de la barrera hematoencefálica inducida por ultrasonido focalizado para dirigirse a las estructuras cerebrales y evaluar la neuromodulación quimiogenética

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Papel de la tractografía por resonancia magnética de difusión en la cirugía endoscópica endonasal de la base del cráneo

Endoscopic endonasal surgery has gained a prominent role in the management of complex skull base tumors. It allows the resection of a large group of ...

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Autor destacado: Aplicaciones de la detección de TEER para evaluar la integridad de la barrera celular 

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