Monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale

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Il sistema PeriCam PSI

Monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale

PSI per il monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale

L’esclusiva combinazione di una risoluzione spaziale elevata, un ampio campo visivo e un elevato frame rate rende PeriCam PSI lo strumento ideale per immagini cerebrali di alta qualità e monitoraggio di variazioni rapide.

Le variazioni del flusso ematico cerebrale (CBF) sono una caratteristica di diverse condizioni neurologiche e, pertanto, il centro di diversi studi nei campi delle neuroscienze. Questi studi richiedono strumenti per investigare tali variazioni, preferibilmente tramite metodi non invasivi, in tempo reale. PeriCam PSI System è un imager a perfusione sanguigna basato su tecnologia di analisi con contrasto laser speckle (LASCA). LASCA fornisce nuovi mezzi per analizzare la microcircolazione in modi impossibili in passato. Consente la visualizzazione della perfusione sanguigna dei tessuti in tempo reale e combina una risposta dinamica alla risoluzione spaziale. Non c’è influenza sulla perfusione, in quanto non è necessario alcun contatto diretto sul tessuto, né mezzi di contrasto o oligoelementi. Per migliorarne ulteriormente la fruibilità, è stato sviluppato un software applicativo dedicato, PIMSoft. Il sistema PSI è stato utilizzato ampiamente per monitorare il CBF e le modifiche al CBF in più modelli murini per descrivere la patologia e monitorare l’efficacia del trattamento.

Cervello del topo. PeriCam PSI HR (High Resolution). Per gentile concessione del dott. Offenhauser, Charité, Berlin, Germany.
Panoramica

È stato provato che PeriCam PSI è uno strumento utile in un’ampia gamma di campi nell’area della ricerca
sul flusso ematico cerebrale. Uno dei principali campi di ricerca è rappresentato dalle lesioni cerebrali ischemiche. L’ictus ischemico ed emorragico possono essere indotti e l’entità degli stessi può essere determinata utilizzando PeriCam PSI, mentre il processo dinamico dopo l’ictus può essere seguito nel tempo. Analogamente, i modelli di ipoperfusione cerebrale cronica e lesione cerebrale traumatica sono idonei all’analisi mediante PeriCam PSI.

Un altro campo riguarda lo studio delle variazioni emodinamiche cerebrali, in cui la combinazione della risoluzione spaziale elevata, l’ampio campo visivo e l’elevato frame rate rendono PeriCam PSI lo strumento ideale per analizzare rapidi cambiamenti del CBF. La tecnica si adatta perfettamente alla visualizzazione delle onde delle variazioni di perfusione che si verificano durante la depolarizzazione corticale propagata e la modalità di immagine con differenza è stata sviluppata tenendo conto di questa applicazione. Più recentemente, è stato provato che l’accoppiamento neurovascolare è un’applicazione adatta a questa tecnica.

PSI per la caratterizzazione di lesioni cerebrali ischemiche

Le esclusive funzionalità qualificano il sistema PSI per l’analisi di lesioni cerebrali ischemiche in diversi modelli, tra cui ictus, ipoperfusione cerebrale cronica e lesioni cerebrali traumatiche.

Ampio campo visivo: la visualizzazione dell’intera area cerebrale consente la conferma e la caratterizzazione della lesione ischemica
Elevata risoluzione spaziale: fornisce i punti precisi della lesione. L’inserimento di aree di interesse (ROI) consente la misurazione dell’area della lesione e possono essere utilizzate per monitorare il recupero della lesione.
Riepilogo della funzione di registrazione: semplifica l’acquisizione dei dati e l’analisi di studi longitudinali acquisendo misurazioni ripetute dello stesso soggetto in un singolo file e consentendo un semplice confronto delle stesse ROI nel tempo.

Modello di ictus

o occlusione dell’arteria cerebrale media (MCAO) – Un filamento viene inserito nell’arteria per occludere il flusso ematico per un periodo di tempo fisso (circa 30-120 minuti) prima che la rimozione per riperfusione causi un ictus ischemico 1-9.

Immagini di perfusione del cervello di un topo, prima, durante e dopo la MCAO con variazioni quantificate nella perfusione sanguigna dei lati ipsilaterale e controlaterale sia per gli animali trattati sia per gli animali non trattati.
Per gentile concessione di Dandan Sun e Iqbal H. Bhuiyan, Department of Neurology and Pittsburgh Institute For Neurodegenerative Diseases, University of Pittsburgh. Figura riprodotta con l’autorizzazione di Nature Communications, originariamente pubblicato in: Zhang, J., Bhuiyan, M.I.H., Zhang, T. et al. Modulation of brain cation-Cl− cotransport via the SPAK kinase inhibitor ZT-1a. Nat Commun 11, 78 (2020). doi: 10.1038/s41467-019-13851-6

o Modello di emorragie subaracnoidee (SAH) – Il filamento viene inserito per perforare l’arteria cerebrale anteriore causando un ictus 10-13.

Brain Research 1727 (2020) 146566


Immagini della perfusione del cervello di un topo prima e dopo una lesione SAH. Lo stesso animale è stato seguito per una settimana dopo la lesione con lo scopo di valutarne il recupero. Immagini acquisite con PSI HR.
Ipoperfusione cerebrale cronica

o Modello di occlusione dell’arteria carotidea comune bilaterale (BCCAO) – Le arterie carotidi comuni vengono legate in maniera doppia e ben salda utilizzando suture o microcoil per creare regioni ischemiche in entrambi gli emisferi 14-20.

Immagini di perfusione del cervello di un topo, prima e dopo la lesione BCCAO con variazioni quantificate nella perfusione sanguigna sia per gli animali trattati sia per gli animali non trattati. Gli animali sono stati seguiti per un mese dopo la lesione.
Per gentile concessione del dott. Nasrul Hoda Georgia Regents University, University of Georgia, e Charlie Norwood VA Medical Center, Augusta, GA.
Figura riprodotta con l’autorizzazione di Translational Stroke Research e originariamente pubblicata in: Khan, M.B., Hoda, M.N., Vaibhav, K. et al. Remote Ischemic Postconditioning: Harnessing Endogenous Protection in a Murine Model of Vascular Cognitive Impairment. Transl. Stroke Res. 6, 69–77 (2015). https://doi.org/10.1007/s12975-014-0374-6.
Lesione cerebrale traumatica

o Modello di impatto corticale controllato (CCI) – Dispositivo per contusioni utilizzato per creare lesioni controllate sulla corteccia sensomotoria 21-23.
o Modello di accelerazione caduta/impatto peso – Un peso viene lasciato cadere sul cranio non protetto per creare una lesione cerebrale.

Immagini di perfusione del cervello di un topo prima e dopo una lesione cerebrale traumatica. Lo stesso animale è stato seguito per 3 giorni dopo la lesione.
Per gentile concessione del dott. Han Liu Department of Neurosurgery, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400016, PR China
H. Liu et al./Brain Research 1700 (2018) 118–125

PSI per la caratterizzazione delle variazioni emodinamiche cerebrali

Le esclusive caratteristiche del sistema PSI lo rendono idoneo all’analisi di piccole variazioni dinamiche nel CBF in risposta alla stimolazione, in quanto visualizza le variazioni di perfusione nello spazio e nel tempo. Risposte anomale sono segni precoci che indicano una disfunzione cognitiva.

Un frame rate e una risoluzione spaziale elevati consentono l’acquisizione di variazioni dinamiche nel microcircolo cerebrale dovute a stimoli esterni.
Immagini differenti offrono una migliore visualizzazione di variazioni più lievi nel CBF.

Accoppiamento neurovascolare (NVC)

Importante meccanismo di omeostasi che garantisce un’adeguata regolazione del CBF per incrementare la necessità di ossigeno e sostanze nutritive dei neuroni attivati, producendo un’iperemia funzionale. L’NVC ha un ruolo essenziale nel mantenimento di una sana funzione cognitiva. Il sistema PSI si utilizza per registrare le variazioni emodinamiche nella corteccia somatosensoriale in risposta a una stimolazione elettrica applicata al nervo sciatico 24 o a una stimolazione dei baffi 25-28. Una compromissione dell’NVC contribuisce al declino cognitivo dovuto all’età.

Immagini di perfusione del cervello di un topo, visualizzate sia come immagini assolute sia come immagini con differenza durante una stimolazione dei baffi di 30 secondi a destra (parte superiore) e sinistra (parte inferiore). Dati grafici PIMSoft della ROI sulla corteccia cerebrale durante la stimolazione in cui si prevede un incremento della perfusione. La disfunzione cognitiva comporta una riduzione degli incrementi della perfusione in ragione della stimolazione.
Per gentile concessione del dott. Stefano Tarantini e del dott. Zoltan Ungvari of University of Oklahoma Health Science Center, Oklahoma City, OK.
Depolarizzazione corticale propagata (CSD)

Onde di depolarizzazione transmembrana brusca e quasi completa dei gradienti di ioni della transmembrana neuronale che si propagano a una velocità di circa 3 mm/minuto nella materia grigia cerebrale, causando edema citotossico e provocando un’ischemia diffusa. La CSD è centrale per la neurodegenerazione dopo una lesione cerebrale acuta. Il sistema PSI viene utilizzato per registrare variazioni emodinamiche dovute a punture di aghi o applicazioni topiche di soluzione di potassio ad alta concentrazione 29-32.

Onde di depolarizzazione transmembrana brusca e quasi completa dei gradienti di ioni della transmembrana neuronale che si propagano a una velocità di circa 3 mm/minuto nella materia grigia cerebrale, causando edema citotossico e provocando un’ischemia diffusa. La CSD è centrale per la neurodegenerazione dopo una lesione cerebrale acuta. Il sistema PSI viene utilizzato per registrare variazioni emodinamiche dovute a punture di aghi o applicazioni topiche di soluzione di potassio ad alta concentrazione 29-32.

Depolarizzazione propagata nel cervello di un topo acquisita con immagini mediante PeriCam PSI HR. La perfusione assoluta (riga in alto) può essere visualizzata e quantificata (grafico) utilizzando una modalità di immagine con differenza appositamente sviluppata (riga inferiore). La variazione della perfusione causata dall’onda SD può essere seguita in modo eccellente. Per gentile concessione di Charité, Berlin, Germany.
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