Neuroimaging hat unser Verständnis der Gehirnfunktion erweitert. Solche Techniken umfassen häufig das Messen von Blutflussvariationen, um die Gehirnaktivierung zu erkennen, wobei die grundlegende Wechselwirkung zwischen den vaskulären und neuronalen Aktivitäten des Gehirns ausgenutzt wird. Jegliche Veränderungen in dieser sogenannten neurovaskulären Kopplung sind stark mit einer zerebralen Dysfunktion verbunden. Die Fähigkeit, die zerebrale Mikrozirkulation abzubilden, ist besonders wichtig, da neurodegenerative Erkrankungen wie Demenz und Alzheimer mit einer Funktionsstörung der kleinen Hirngefäße einhergehen.
Forscher bei Institut Physik für Medizin Paris (Inserm/ESPCI PSL Universität/CNRS) haben nun eine Methode namens funktionelle Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie (fULM) entwickelt, mit der die zerebrale Aktivität im Mikrometerbereich erfasst werden kann. Das Team veröffentlichte die ersten Ganzhirnbilder der Gefäßaktivität von Nagetieren im Mikrometermaßstab in Nature Methods, zusammen mit einer detaillierten Erläuterung der fULM-Bilderfassungs- und Analyseverfahren.
Im Gegensatz zu invasiven elektrophysiologischen oder optischen Ansätzen zur Untersuchung der Gehirnfunktion im mikroskopischen Maßstab kann die Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie (ULM) nicht-invasiv sein. Die Bildgebungstechnologie verfolgt biokompatible mikrometergroße Mikrobläschen, die in den Blutkreislauf injiziert werden, und durch Anhäufung der Spuren von Millionen von Mikrobläschen können rekonstruierte Bilder subtile Veränderungen des zerebralen Blutvolumens mit mikrometergroßer Genauigkeit über große Sichtfelder aufzeigen.
Forscher haben zuvor ULM verwendet, um die mikrovaskuläre Anatomie im Ganzhirnmaßstab bei Nagetieren und Menschen aufzudecken. Die räumliche Auflösung der ULM ist 16-mal besser als die der funktionellen Ultraschallbildgebung. Da der Erfassungsprozess jedoch langsam ist, kann ULM nur statische Karten des durch die neuronale Aktivität induzierten Blutflusses erstellen.
Die fULM-Technik überwindet diese Einschränkung. Neben der Abbildung der Mikrogefäße des Gehirns erkennt die Technik die lokale Gehirnaktivierung, indem sie die Anzahl und Geschwindigkeit der Mikrobläschen berechnet, die in jedem Gefäß passieren. Wenn eine Gehirnregion aktiviert wird, führt die neurovaskuläre Kopplung dazu, dass das Blutvolumen lokal ansteigt, wodurch die Gefäße erweitert werden und mehr Mikrobläschen passieren können. fULM liefert lokale Schätzungen mehrerer Parameter, die eine solche Gefäßdynamik charakterisieren, einschließlich Mikrobläschenfluss, Geschwindigkeit und Gefäßdurchmesser.
Laut Hauptermittler Michael Tanter und Kollegen bietet die Integration von fULM in einen kostengünstigen, einfach zu bedienenden Ultraschallscanner „einen quantitativen Blick auf das zerebrale Mikrozirkulationsnetzwerk und seine hämodynamischen Veränderungen durch die Kombination einer gehirnweiten räumlichen Ausdehnung mit einer mikroskopischen Auflösung und einer zeitlichen Auflösung von 1 s kompatibel mit neurofunktioneller Bildgebung“.
In vivo Es wurden Studien
Um das fULM-Konzept zu demonstrieren, bildeten die Forscher zunächst Laborratten mit funktionellem Ultraschall (ohne Kontrastmittel) ab, gefolgt von ULM in derselben Bildgebungsebene. Sie kombinierten sensorische Stimulationen (Schnurrbartauslenkungen oder visuelle Stimulation) bei anästhesierten Ratten mit einer kontinuierlichen Injektion von Mikrobläschen. Für ULM erhielten die Ratten während einer 20-minütigen Bildgebungssitzung eine kontinuierliche langsame Injektion von Mikrobläschen, was zu etwa 30 Mikrobläschen pro Ultraschallbild führte.
Während der ULM-Verarbeitung speicherten die Forscher jede Spur mit jeder Mikrobläschenposition und ihrer jeweiligen Zeitposition. Sie konstruierten ULM-Bilder, indem sie eine Pixelgröße auswählten und jede Mikroblase innerhalb jedes Pixels sortierten. Für die Analysen wurden nur Pixel mit mindestens fünf verschiedenen Mikroblasendetektionen während der gesamten Erfassungszeit verwendet.
Die Technik ermöglichte es den Forschern, funktionelle Hyperämie (erhöhte Durchblutung der Gefäße) sowohl in kortikalen als auch subkortikalen Bereichen mit einer Auflösung von 6.5 µm abzubilden. Sie quantifizierten die zeitlichen hämodynamischen Reaktionen während der Whisker-Stimulation bei vier Ratten und während der visuellen Stimulation bei drei Ratten, indem sie den Fluss und die Geschwindigkeit der Mikrobläschen maßen.
Das Team quantifizierte die Beteiligung von Blutgefäßen während einer funktionellen Hyperämie. Sie beobachteten bei einer repräsentativen Arteriole und Venole (sehr kleine Arterien/Venen, die in/aus den Kapillaren führen) eine Zunahme der Anzahl, Geschwindigkeit und des Durchmessers der Mikrobläschen und stellten fest, dass die Kontrolltiere keine Veränderungen zeigten. Sie führten auch einen „Perfusions-“ und „Drainagebereichsindex“ ein, um die Beteiligung jedes einzelnen Blutgefäßes weiter zu quantifizieren. Diese stiegen während der Stimulation für die Arteriole bzw. Venole um 28 % bzw. 54 % an.
Aufgrund des großen Sichtfelds konnten die Forscher quantitative Analysen gleichzeitig für jedes Gefäß über das gesamte Schnittbild des Rattenhirns hinweg durchführen, sogar in tiefen Strukturen wie dem Thalamus für Schnurrhaarstimulationen und dem Colliculus superior für visuelle Stimulationen.
„Die erreichte räumlich-zeitliche Auflösung ermöglicht es fULM, verschiedene Gefäßkompartimente im gesamten Gehirn abzubilden und ihre jeweiligen Beiträge zu unterscheiden, insbesondere in den präkapillaren Arteriolen, von denen bekannt ist, dass sie einen großen Beitrag zu Gefäßveränderungen während neuronaler Aktivitäten leisten“, schreiben die Autoren.
Ultraschneller Ultraschall bildet winzige Blutgefäße tief im menschlichen Gehirn ab
Sie fügen hinzu: „fULM zeigt, dass der relative Anstieg des Mikrobläschenflusses in intraparenchymalen Gefäßen größer ist als in Arteriolen. fULM bestätigt auch tiefenabhängige Eigenschaften für den Blutfluss und die Geschwindigkeit beim Eindringen in Arteriolen an der Basislinie und hebt eine tiefenabhängige Variation der Blutgeschwindigkeit während der Aktivierung hervor. Es quantifiziert auch große Zunahmen des Mikrobläschenflusses, der Blutgeschwindigkeit und des Durchmessers in den Venolen während der Aktivierung.“
Als neues bildgebendes Forschungswerkzeug bietet fULM eine Möglichkeit, dynamische Veränderungen während der Gehirnaktivierung zu verfolgen, und wird Einblicke in neuronale Gehirnschaltkreise bieten. Es wird die Untersuchung der funktionellen Konnektivität, der schichtspezifischen kortikalen Aktivität und/oder der neurovaskulären Kopplungsänderungen auf gehirnweiter Ebene unterstützen.
Tanter weist darauf hin, dass Forscher des Instituts Physik für Medizin mit dem in Paris ansässigen Medizintechnikunternehmen zusammenarbeiten Ikoneus, um diese Technologie für die Gemeinschaft der Neurowissenschaften und für die klinische Bildgebung sehr schnell verfügbar zu machen.
