Long-term monitoring of post-stroke plasticity after transient cerebral ischemia in mice using in vivo and ex vivo diffusion tensor MRI.

WE USED A MURINE MODEL OF TRANSIENT FOCAL CEREBRAL ISCHEMIA TO STUDY: 1) in vivo DTI long-term temporal evolution of the apparent diffusion coefficient (ADC) and diffusion fractional anisotropy (FA) at days 4, 10, 15 and 21 after stroke 2) ex vivo distribution of a plasticity-related protein (GAP-43) and its relationship with the ex vivo DTI characteristics of the striato-thalamic pathway (21 days). All animals recovered motor function. In vivo ADC within the infarct was significantly increased after stroke. In the stroke group, GAP-43 expression and FA values were significantly higher in the ipsilateral (IL) striatum and contralateral (CL) hippocampus compared to the shams. DTI tractography showed fiber trajectories connecting the CL striatum to the stroke region, where increased GAP43 and FA were observed and fiber tracts from the CL striatum terminating in the IL hippocampus.Our data demonstrate that DTI changes parallel histological remodeling and recovery of function.

Glibenclamide enhances neurogenesis and improves long-term functional recovery after transient focal cerebral ischemia

Glibenclamide is neuroprotective against cerebral ischemia in rats. We studied whether glibenclamide enhances long-term brain repair and improves behavioral recovery after stroke. Adult male Wistar rats were subjected to transient middle cerebral artery occlusion (MCAO) for 90 minutes. A low dose of glibenclamide (total 0.6mg) was administered intravenously 6, 12, and 24 hours after reperfusion. We assessed behavioral outcome during a 30-day follow-up and animals were perfused for histological evaluation. In vitro specific binding of glibenclamide to microglia increased after pro-inflammatory stimuli. In vivo glibenclamide was associated with increased migration of doublecortin-positive cells in the striatum toward the ischemic lesion 72 hours after MCAO, and reactive microglia expressed sulfonylurea receptor 1 (SUR1) and Kir6.2 in the medial striatum. One month after MCAO, glibenclamide was also associated with increased number of NeuN-positive and 5-bromo-2-deoxyuridine-positive neurons in the cortex and hippocampus, and enhanced angiogenesis in the hippocampus. Consequently, glibenclamide-treated MCAO rats showed improved performance in the limb-placing test on postoperative days 22 to 29, and in the cylinder and water-maze test on postoperative day 29. Therefore, acute blockade of SUR1 by glibenclamide enhanced long-term brain repair in MCAO rats, which was associated with improved behavioral outcome.

Predicting rapeseed oil content with near-infrared spectroscopy

The objective of this work was to establish a calibration equation and to estimate the efficiency of near-infrared reflectance (NIR) spectroscopy for evaluating rapeseed oil content in Southern Brazil. Spectral data from 124 half-sib families were correlated with oil contents determined by the chemical method. The accuracy of the equation was verified by coefficient of determination (R²) of 0.92, error of calibration (SEC) of 0.78, and error of performance (SEP) of 1.22. The oil content of ten genotypes, which were not included in the calibration with NIR, was similar to the one obtained by the standard chemical method. NIR spectroscopy is adequate to differentiate oil content of rapeseed genotypes.

Wigner higher-order spectra: definition, properties, computation and application to transient signal analysis

The Wigner higher order moment spectra (WHOS)are defined as extensions of the Wigner-Ville distribution (WD)to higher order moment spectra domains. A general class oftime-frequency higher order moment spectra is also defined interms of arbitrary higher order moments of the signal as generalizations of the Cohen’s general class of time-frequency representations. The properties of the general class of time-frequency higher order moment spectra can be related to theproperties of WHOS which are, in fact, extensions of the properties of the WD. Discrete time and frequency Wigner higherorder moment spectra (DTF-WHOS) distributions are introduced for signal processing applications and are shown to beimplemented with two FFT-based algorithms. One applicationis presented where the Wigner bispectrum (WB), which is aWHOS in the third-order moment domain, is utilized for thedetection of transient signals embedded in noise. The WB iscompared with the WD in terms of simulation examples andanalysis of real sonar data. It is shown that better detectionschemes can be derived, in low signal-to-noise ratio, when theWB is applied.

Diradicals acting through diamagnetic phenylene vinylene bridges: Raman spectroscopy as a probe to characterize spin delocalization

We present a complete Raman spectroscopic study in two structurally well-defined diradical species of different lengths incorporating oligo p-phenylene vinylene bridges between two polychlorinated triphenylmethyl radical units, a disposition that allows sizeable conjugation between the two radicals through and with the bridge. The spectroscopic data are interpreted and supported by quantum chemical calculations. We focus the attention on the Raman frequency changes, interpretable in terms of: (i) bridge length (conjugation length); (ii) bridge conformational structure; and (iii) electronic coupling between the terminal radical units with the bridge and through the bridge, which could delineate through-bond spin polarization, or spin delocalization. These items are addressed by using the"oligomer approach" in conjunction with pressure and temperature dependent Raman spectroscopic data. In summary, we have attempted to translate the well-known strategy to study the electron (charge) structure of π−conjugated molecules by Raman spectroscopy to the case of electron (spin) interactions via the spin delocalization mechanism.

Diagnostic and prognostic value of cerebral 31P magnetic resonance spectroscopy in neonates with perinatal asphyxia.

The impact of depressed neonatal cerebral oxidative phosphorylation for diagnosing the severity of perinatal asphyxia was estimated by correlating the concentrations of phosphocreatine (PCr) and ATP as determined by magnetic resonance spectroscopy with the degree of hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE) in 23 asphyxiated term neonates. Ten healthy age-matched neonates served as controls. In patients, the mean concentrations +/- SD of PCr and ATP were 0.99 +/- 0.46 mmol/L (1.6 +/- 0.2 mmol/L) and 0.99 +/- 0.35 mmol/L (1.7 +/- 0.2 mmol/L), respectively (normal values in parentheses). [PCr] and [ATP] correlated significantly with the severity of HIE (r = 0.85 and 0.9, respectively, p < 0.001), indicating that the neonatal encephalopathy is the clinical manifestation of a marred brain energy metabolism. Neurodevelopmental outcome was evaluated in 21 children at 3, 9, and 18 mo. Seven infants had multiple impairments, five were moderately handicapped, five had only mild symptoms, and four were normal. There was a significant correlation between the cerebral concentrations of PCr or ATP at birth and outcome (r = 0.8, p < 0.001) and between the degree of neonatal neurologic depression and outcome (r = 0.7). More important, the outcome of neonates with moderate HIE could better be predicted with information from quantitative 31P magnetic resonance spectroscopy than from neurologic examinations. In general, the accuracy of outcome predictability could significantly be increased by adding results from 31P magnetic resonance spectroscopy to the neonatal neurologic score, but not vice versa. No correlation with outcome was found for other perinatal risk factors, including Apgar score.

New evidence of neuroprotection by lactate after transient focal cerebral ischaemia: extended benefit after intracerebroventricular injection and efficacy of intravenous administration.

BACKGROUND: Lactate protects mice against the ischaemic damage resulting from transient middle cerebral artery occlusion (MCAO) when administered intracerebroventricularly at reperfusion, yielding smaller lesion sizes and a better neurological outcome 48 h after ischaemia. We have now tested whether the beneficial effect of lactate is long-lasting and if lactate can be administered intravenously. METHODS: Male ICR-CD1 mice were subjected to 15-min suture MCAO under xylazine + ketamine anaesthesia. Na L-lactate (2 µl of 100 mmol/l) or vehicle was administered intracerebroventricularly at reperfusion. The neurological deficit was evaluated using a composite deficit score based on the neurological score, the rotarod test and the beam walking test. Mice were sacrificed at 14 days. In a second set of experiments, Na L-lactate (1 µmol/g body weight) was administered intravenously into the tail vein at reperfusion. The neurological deficit and the lesion volume were measured at 48 h. RESULTS: Intracerebroventricularly injected lactate induced sustained neuroprotection shown by smaller neurological deficits at 7 days (median = 0, min = 0, max = 3, n = 7 vs. median = 2, min = 1, max = 4.5, n = 5, p < 0.05) and 14 days after ischaemia (median = 0, min = 0, max = 3, n = 7 vs. median = 3, min = 0.5, max = 3, n = 7, p = 0.05). Reduced tissue damage was demonstrated by attenuated hemispheric atrophy at 14 days (1.3 ± 4.0 mm(3), n = 7 vs. 12.1 ± 3.8 mm(3), n = 5, p < 0.05) in lactate-treated animals. Systemic intravenous lactate administration was also neuroprotective and attenuated the deficit (median = 1, min = 0, max = 2.5, n = 12) compared to vehicle treatment (median = 1.5, min = 1, max = 8, n = 12, p < 0.05) as well as the lesion volume at 48 h (13.7 ± 12.2 mm(3), n = 12 vs. 29.6 ± 25.4 mm(3), n = 12, p < 0.05). CONCLUSIONS: The beneficial effect of lactate is long-lasting: lactate protects the mouse brain against ischaemic damage when supplied intracerebroventricularly during reperfusion with behavioural and histological benefits persisting 2 weeks after ischaemia. Importantly, lactate also protects after systemic intravenous administration, a more suitable route of administration in a clinical emergency setting. These findings provide further steps to bring this physiological, commonly available and inexpensive neuroprotectant closer to clinical translation for stroke.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Raman spectroscopy and microspectroscopy of reactive dyes on cotton fibres: analysis and detection limits

A collaborative study on Raman spectroscopy and microspectrophotometry (MSP) was carried out by members of the ENFSI (European Network of Forensic Science Institutes) European Fibres Group (EFG) on different dyed cotton fabrics. The detection limits of the two methods were tested on two cotton sets with a dye concentration ranging from 0.5 to 0.005% (w/w). This survey shows that it is possible to detect the presence of dye in fibres with concentrations below that detectable by the traditional methods of light microscopy and microspectrophotometry (MSP). The MSP detection limit for the dyes used in this study was found to be a concentration of 0.5% (w/w). At this concentration, the fibres appear colourless with light microscopy. Raman spectroscopy clearly shows a higher potential to detect concentrations of dyes as low as 0.05% for the yellow dye RY145 and 0.005% for the blue dye RB221. This detection limit was found to depend both on the chemical composition of the dye itself and on the analytical conditions, particularly the laser wavelength. Furthermore, analysis of binary mixtures of dyes showed that while the minor dye was detected at 1.5% (w/w) (30% of the total dye concentration) using microspectrophotometry, it was detected at a level as low as 0.05% (w/w) (10% of the total dye concentration) using Raman spectroscopy. This work also highlights the importance of a flexible Raman instrument equipped with several lasers at different wavelengths for the analysis of dyed fibres. The operator and the set up of the analytical conditions are also of prime importance in order to obtain high quality spectra. Changing the laser wavelength is important to detect different dyes in a mixture.

Determination of the size of quantum dots by fluorescence spectroscopy.

There has been a lack of quick, simple and reliable methods for determination of nanoparticle size. An investigation of the size of hydrophobic (CdSe) and hydrophilic (CdSe/ZnS) quantum dots was performed by using the maximum position of the corresponding fluorescence spectrum. It has been found that fluorescence spectroscopy is a simple and reliable methodology to estimate the size of both quantum dot types. For a given solution, the homogeneity of the size of quantum dots is correlated to the relationship between the fluorescence maximum position (FMP) and the quantum dot size. This methodology can be extended to the other fluorescent nanoparticles. The employment of evolving factor analysis and multivariate curve resolution-alternating least squares for decomposition of the series of quantum dots fluorescence spectra recorded by a specific measuring procedure reveals the number of quantum dot fractions having different diameters. The size of the quantum dots in a particular group is defined by the FMP of the corresponding component in the decomposed spectrum. These results show that a combination of the fluorescence and appropriate statistical method for decomposition of the emission spectra of nanoparticles may be a quick and trusted method for the screening of the inhomogeneity of their solution.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Brain energy metabolism measured by (13) C magnetic resonance spectroscopy in vivo upon infusion of [3-(13) C]lactate.

The brain uses lactate produced by glycolysis as an energy source. How lactate originated from the blood stream is used to fuel brain metabolism is not clear. The current study measures brain metabolic fluxes and estimates the amount of pyruvate that becomes labeled in glial and neuronal compartments upon infusion of [3-(13) C]lactate. For that, labeling incorporation into carbons of glutamate and glutamine was measured by (13) C magnetic resonance spectroscopy at 14.1 T and analyzed with a two-compartment model of brain metabolism to estimate rates of mitochondrial oxidation, glial pyruvate carboxylation, and the glutamate-glutamine cycle as well as pyruvate fractional enrichments. Extracerebral lactate at supraphysiological levels contributes at least two-fold more to replenish the neuronal than the glial pyruvate pools. The rates of mitochondrial oxidation in neurons and glia, pyruvate carboxylase, and glutamate-glutamine cycles were similar to those estimated by administration of (13) C-enriched glucose, the main fuel of brain energy metabolism. These results are in agreement with primary utilization of exogenous lactate in neurons rather than astrocytes. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

Assessment of metabolic fluxes in the mouse brain in vivo using 1H-[13C] NMR spectroscopy at 14.1 Tesla.

(13)C magnetic resonance spectroscopy (MRS) combined with the administration of (13)C labeled substrates uniquely allows to measure metabolic fluxes in vivo in the brain of humans and rats. The extension to mouse models may provide exclusive prospect for the investigation of models of human diseases. In the present study, the short-echo-time (TE) full-sensitivity (1)H-[(13)C] MRS sequence combined with high magnetic field (14.1 T) and infusion of [U-(13)C6] glucose was used to enhance the experimental sensitivity in vivo in the mouse brain and the (13)C turnover curves of glutamate C4, glutamine C4, glutamate+glutamine C3, aspartate C2, lactate C3, alanine C3, γ-aminobutyric acid C2, C3 and C4 were obtained. A one-compartment model was used to fit (13)C turnover curves and resulted in values of metabolic fluxes including the tricarboxylic acid (TCA) cycle flux VTCA (1.05 ± 0.04 μmol/g per minute), the exchange flux between 2-oxoglutarate and glutamate Vx (0.48 ± 0.02 μmol/g per minute), the glutamate-glutamine exchange rate V(gln) (0.20 ± 0.02 μmol/g per minute), the pyruvate dilution factor K(dil) (0.82 ± 0.01), and the ratio for the lactate conversion rate and the alanine conversion rate V(Lac)/V(Ala) (10 ± 2). This study opens the prospect of studying transgenic mouse models of brain pathologies.