Η νευροαπεικόνιση έχει αυξήσει την κατανόησή μας για τη λειτουργία του εγκεφάλου. Τέτοιες τεχνικές συχνά περιλαμβάνουν τη μέτρηση των διακυμάνσεων της ροής του αίματος για την ανίχνευση της ενεργοποίησης του εγκεφάλου, αξιοποιώντας τη θεμελιώδη αλληλεπίδραση μεταξύ των αγγειακών και νευρωνικών δραστηριοτήτων του εγκεφάλου. Οποιεσδήποτε αλλαγές σε αυτή τη λεγόμενη νευροαγγειακή σύζευξη συνδέονται στενά με την εγκεφαλική δυσλειτουργία. Η ικανότητα απεικόνισης της εγκεφαλικής μικροκυκλοφορίας είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως η άνοια και το Αλτσχάιμερ περιλαμβάνουν δυσλειτουργία των μικρών εγκεφαλικών αγγείων.
Ερευνητές στο Ινστιτούτο Physics For Medicine Παρίσι (Πανεπιστήμιο Inserm/ESPCI PSL/CNRS) έχουν τώρα αναπτύξει μια μέθοδο που ονομάζεται λειτουργική μικροσκοπία εντοπισμού υπερήχων (fULM) που μπορεί να καταγράψει την εγκεφαλική δραστηριότητα σε κλίμακα μικρού. Η ομάδα δημοσίευσε τις πρώτες εικόνες αγγειακής δραστηριότητας τρωκτικών σε κλίμακα μικρού, ολόκληρου του εγκεφάλου Μέθοδοι φύσης, μαζί με μια λεπτομερή επεξήγηση των διαδικασιών λήψης και ανάλυσης εικόνας FULM.
Σε αντίθεση με τις επεμβατικές ηλεκτροφυσιολογικές ή οπτικές προσεγγίσεις για τη μελέτη της λειτουργίας του εγκεφάλου σε μικροσκοπική κλίμακα, η μικροσκοπία εντοπισμού υπερήχων (ULM) μπορεί να είναι μη επεμβατική. Η τεχνολογία απεικόνισης παρακολουθεί βιοσυμβατές μικροφυσαλίδες μεγέθους μικρού που εγχέονται στην κυκλοφορία του αίματος και συσσωρεύοντας τα ίχνη εκατομμυρίων μικροφυσαλίδων, οι ανακατασκευασμένες εικόνες μπορούν να αποκαλύψουν ανεπαίσθητες αλλαγές στον όγκο του εγκεφαλικού αίματος με ακρίβεια μεγέθους μικρού, σε μεγάλα οπτικά πεδία.
Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει προηγουμένως το ULM για να αποκαλύψουν την μικροαγγειακή ανατομία σε κλίμακα ολόκληρου του εγκεφάλου σε τρωκτικά και ανθρώπους. Η χωρική ανάλυση του ULM είναι 16 φορές καλύτερη από αυτή που επιτυγχάνεται με τη λειτουργική απεικόνιση υπερήχων. Επειδή όμως η διαδικασία απόκτησης είναι αργή, το ULM μπορεί να παράγει μόνο στατικούς χάρτες της ροής του αίματος που προκαλείται από τη νευρωνική δραστηριότητα.
Η τεχνική FULM ξεπερνά αυτόν τον περιορισμό. Εκτός από την απεικόνιση του μικροαγγειακού συστήματος του εγκεφάλου, η τεχνική ανιχνεύει την τοπική ενεργοποίηση του εγκεφάλου υπολογίζοντας τον αριθμό και την ταχύτητα των μικροφυσαλίδων που περνούν σε κάθε αγγείο. Όταν ενεργοποιείται μια περιοχή του εγκεφάλου, η νευροαγγειακή σύζευξη προκαλεί τοπικά αύξηση του όγκου του αίματος, διαστέλλοντας τα αγγεία και επιτρέποντας να περάσουν περισσότερες μικροφυσαλίδες. Το fULM παρέχει τοπικές εκτιμήσεις πολλαπλών παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τέτοιες αγγειακές δυναμικές, συμπεριλαμβανομένης της ροής μικροφυσαλίδων, της ταχύτητας και της διαμέτρου των αγγείων.
Σύμφωνα με τον κύριο ερευνητή Μίκαελ Τάντερ και οι συνάδελφοι, ενσωματώνοντας το FULM σε έναν οικονομικά αποδοτικό, εύχρηστο σαρωτή υπερήχων παρέχει «μια ποσοτική ματιά στο δίκτυο της εγκεφαλικής μικροκυκλοφορίας και τις αιμοδυναμικές του αλλαγές συνδυάζοντας μια χωρική έκταση σε όλο τον εγκέφαλο με μια μικροσκοπική ανάλυση και μια χρονική ανάλυση 1 δευτερολέπτου συμβατό με νευρολειτουργική απεικόνιση».
In vivo μελέτες
Για να αποδείξουν την ιδέα του fULM, οι ερευνητές απεικόνισαν πρώτα εργαστηριακούς αρουραίους με λειτουργικό υπερηχογράφημα (χωρίς αντίθεση), ακολουθούμενο από ULM στο ίδιο επίπεδο απεικόνισης. Συνδύασαν αισθητηριακές διεγέρσεις (εκτροπές από μουστάκια ή οπτική διέγερση) σε αναισθητοποιημένους αρουραίους με συνεχή έγχυση μικροφυσαλίδων. Για το ULM, οι αρουραίοι έλαβαν μια συνεχή αργή ένεση μικροφυσαλίδων κατά τη διάρκεια μιας συνεδρίας απεικόνισης 20 λεπτών, που οδήγησε σε περίπου 30 μικροφυσαλίδες ανά πλαίσιο υπερήχων.
Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας ULM, οι ερευνητές αποθήκευσαν κάθε κομμάτι με κάθε θέση μικροφυσαλίδας και την αντίστοιχη χρονική θέση. Κατασκεύασαν εικόνες ULM επιλέγοντας ένα μέγεθος pixel και ταξινομώντας κάθε μικροφυσαλίδα μέσα σε κάθε pixel. Μόνο εικονοστοιχεία με τουλάχιστον πέντε διαφορετικές ανιχνεύσεις μικροφυσαλίδων κατά τη διάρκεια του συνολικού χρόνου απόκτησης χρησιμοποιήθηκαν για αναλύσεις.
Η τεχνική επέτρεψε στους ερευνητές να χαρτογραφήσουν τη λειτουργική υπεραιμία (αύξηση αίματος στα αγγεία) τόσο στις φλοιώδεις όσο και στις υποφλοιώδεις περιοχές με ανάλυση 6.5 μm. Ποσοτικοποίησαν τις χρονικές αιμοδυναμικές αποκρίσεις κατά τη διάρκεια διεγέρσεων με μουστάκια για τέσσερις αρουραίους και κατά τη διάρκεια οπτικών διεγέρσεων για τρεις αρουραίους, μετρώντας τη ροή και την ταχύτητα των μικροφυσαλίδων.
Η ομάδα ποσοτικοποίησε τη συμμετοχή των αιμοφόρων αγγείων κατά τη διάρκεια της λειτουργικής υπεραιμίας. Παρατήρησαν αυξήσεις στον αριθμό των μικροφυσαλίδων, την ταχύτητα και τη διάμετρο για ένα αντιπροσωπευτικό αρτηρίδιο και φλεβίδιο (πολύ μικρές αρτηρίες/φλέβες που οδηγούν μέσα/έξω από τα τριχοειδή), σημειώνοντας ότι τα ζώα ελέγχου δεν εμφάνισαν αλλαγές. Εισήγαγαν επίσης έναν «δείκτη αιμάτωσης» και «δείκτη περιοχής αποστράγγισης» για να ποσοτικοποιήσουν περαιτέρω τη συμμετοχή κάθε μεμονωμένου αιμοφόρου αγγείου. Αυτά αυξήθηκαν κατά 28% και 54% κατά τη διέγερση για το αρτηρίδιο και το φλεβίδιο, αντίστοιχα.
Λόγω του μεγάλου οπτικού πεδίου, οι ερευνητές μπορούσαν να πραγματοποιήσουν ποσοτικές αναλύσεις ταυτόχρονα για κάθε αγγείο σε ολόκληρη την εικόνα τομής εγκεφάλου αρουραίου, ακόμη και σε βαθιές δομές όπως ο θάλαμος για τις διεγέρσεις των μουστών και ο ανώτερος κολλητός για οπτικές διεγέρσεις.
«Η επιτυγχανόμενη χωροχρονική ανάλυση επιτρέπει στο FULM να απεικονίζει διαφορετικά αγγειακά διαμερίσματα σε ολόκληρο τον εγκέφαλο και να διακρίνει τις αντίστοιχες συνεισφορές τους, ιδιαίτερα στα προτριχοειδή αρτηρίδια που είναι γνωστό ότι έχουν σημαντική συμβολή στις αγγειακές αλλαγές κατά τη διάρκεια νευρωνικών δραστηριοτήτων», γράφουν οι συγγραφείς.
Ο υπερταχύς υπέρηχος χαρτογραφεί μικροσκοπικά αιμοφόρα αγγεία βαθιά στον ανθρώπινο εγκέφαλο
Προσθέτουν: «Το fULM δείχνει ότι η σχετική αύξηση της ροής των μικροφυσαλίδων είναι μεγαλύτερη στα ενδοπαρεγχυματικά αγγεία παρά στα αρτηρίδια. Το fULM επιβεβαιώνει επίσης χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από το βάθος για τη ροή του αίματος και την ταχύτητα στα διεισδυτικά αρτηρίδια κατά την έναρξη και υπογραμμίζει μια εξαρτώμενη από το βάθος διακύμανση στην ταχύτητα του αίματος κατά την ενεργοποίηση. Επίσης, ποσοτικοποιεί μεγάλες αυξήσεις της ροής μικροφυσαλίδων, της ταχύτητας του αίματος και της διαμέτρου στα φλεβίδια κατά την ενεργοποίηση».
Ως νέο εργαλείο έρευνας απεικόνισης, το FULM παρέχει έναν τρόπο παρακολούθησης δυναμικών αλλαγών κατά την ενεργοποίηση του εγκεφάλου και θα προσφέρει πληροφορίες για τα νευρωνικά κυκλώματα του εγκεφάλου. Θα βοηθήσει στη μελέτη της λειτουργικής συνδεσιμότητας, της δραστηριότητας του φλοιού για το στρώμα και ή των αλλοιώσεων της νευροαγγειακής σύζευξης σε κλίμακα εγκεφάλου.
Ο Tanter σημειώνει ότι ερευνητές στο Institute Physics for Medicine συνεργάζονται με την εταιρεία ιατρικής τεχνολογίας με έδρα το Παρίσι Εικονεύς, για να γίνει αυτή η τεχνολογία διαθέσιμη για την κοινότητα των νευροεπιστημών και για την κλινική απεικόνιση πολύ γρήγορα.
