La neuroimagen ha aumentado nuestra comprensión de la función cerebral. Estas técnicas a menudo implican la medición de las variaciones del flujo sanguíneo para detectar la activación cerebral, aprovechando la interacción fundamental entre las actividades vasculares y neuronales del cerebro. Cualquier alteración en este llamado acoplamiento neurovascular está fuertemente ligada a la disfunción cerebral. La capacidad de obtener imágenes de la microcirculación cerebral es particularmente importante, ya que las enfermedades neurodegenerativas como la demencia y el Alzheimer implican la disfunción de los pequeños vasos cerebrales.
Investigadores en Instituto de Física para la Medicina de París (Inserm/ESPCI PSL Universidad/CNRS) ahora han desarrollado un método llamado microscopía de localización de ultrasonido funcional (fULM) que puede capturar la actividad cerebral en la escala de micras. El equipo publicó las primeras imágenes de todo el cerebro a escala micrométrica de la actividad vascular de roedores en Nature Methods, junto con una explicación detallada de los procedimientos de adquisición y análisis de imágenes fULM.
A diferencia de los enfoques electrofisiológicos u ópticos invasivos para estudiar la función cerebral a escala microscópica, la microscopía de localización por ultrasonido (ULM) puede ser no invasiva. La tecnología de imágenes rastrea microburbujas biocompatibles del tamaño de una micra inyectadas en la circulación sanguínea y, al acumular las huellas de millones de microburbujas, las imágenes reconstruidas pueden revelar cambios sutiles en el volumen de sangre cerebral con una precisión del tamaño de una micra, en amplios campos de visión.
Los investigadores han utilizado previamente ULM para revelar la anatomía microvascular a escala de todo el cerebro en roedores y humanos. La resolución espacial de ULM es 16 veces mejor que la que se logra con la ecografía funcional. Pero debido a que el proceso de adquisición es lento, ULM solo puede producir mapas estáticos del flujo sanguíneo inducido por la actividad neuronal.
La técnica fULM supera esta limitación. Además de obtener imágenes de la microvasculatura cerebral, la técnica detecta la activación cerebral local mediante el cálculo del número y la velocidad de las microburbujas que pasan por cada vaso. Cuando una región del cerebro se activa, el acoplamiento neurovascular hace que el volumen de sangre aumente localmente, dilatando los vasos y permitiendo que pasen más microburbujas. fULM proporciona estimaciones locales de múltiples parámetros que caracterizan dicha dinámica vascular, incluido el flujo de microburbujas, la velocidad y los diámetros de los vasos.
Según el investigador principal Michael Tanter y colegas, la integración de fULM en un escáner de ultrasonido rentable y fácil de usar proporciona "una mirada cuantitativa a la red de microcirculación cerebral y sus cambios hemodinámicos al combinar una extensión espacial de todo el cerebro con una resolución microscópica y una resolución temporal de 1 s compatible con imágenes neurofuncionales”.
In vivo estudios
Para demostrar el concepto fULM, los investigadores primero tomaron imágenes de ratas de laboratorio con ultrasonido funcional (sin contraste), seguido de ULM en el mismo plano de imágenes. Combinaron estimulaciones sensoriales (desviaciones de los bigotes o estimulación visual) en ratas anestesiadas con inyección continua de microburbujas. Para ULM, las ratas recibieron una inyección lenta continua de microburbujas durante una sesión de imágenes de 20 minutos, lo que generó aproximadamente 30 microburbujas por cuadro de ultrasonido.
Durante el procesamiento ULM, los investigadores guardaron cada pista con cada posición de microburbuja y su respectiva posición de tiempo. Construyeron imágenes ULM seleccionando un tamaño de píxel y clasificando cada microburbuja dentro de cada píxel. Solo se utilizaron para los análisis píxeles con al menos cinco detecciones de microburbujas diferentes durante el tiempo total de adquisición.
La técnica permitió a los investigadores mapear la hiperemia funcional (aumento de sangre en los vasos) tanto en áreas corticales como subcorticales con una resolución de 6.5 µm. Cuantificaron las respuestas hemodinámicas temporales durante las estimulaciones de los bigotes de cuatro ratas y durante las estimulaciones visuales de tres ratas, midiendo el flujo y la velocidad de las microburbujas.
El equipo cuantificó la participación de los vasos sanguíneos durante la hiperemia funcional. Observaron aumentos en el recuento, la velocidad y el diámetro de las microburbujas para una arteriola y una vénula representativas (arterias/venas muy pequeñas que entran y salen de los capilares), y señalaron que los animales de control no mostraron ningún cambio. También introdujeron una "perfusión" y un "índice de área de drenaje" para cuantificar aún más la participación de cada vaso sanguíneo individual. Estos aumentaron un 28% y un 54% durante la estimulación de la arteriola y la vénula, respectivamente.
Debido al gran campo de visión, los investigadores pudieron realizar análisis cuantitativos simultáneamente para cada vaso en toda la imagen del corte del cerebro de la rata, incluso en estructuras profundas como el tálamo para las estimulaciones de los bigotes y el colículo superior para las estimulaciones visuales.
"La resolución espacio-temporal lograda permite a fULM obtener imágenes de diferentes compartimentos vasculares en todo el cerebro y discriminar sus respectivas contribuciones, en particular en las arteriolas precapilares que se sabe que contribuyen de manera importante a los cambios vasculares durante las actividades neuronales", escriben los autores.
El ultrasonido ultrarrápido mapea pequeños vasos sanguíneos en lo profundo del cerebro humano
Agregan: “fULM muestra que el aumento relativo en el flujo de microburbujas es mayor en los vasos intraparenquimatosos que en las arteriolas. fULM también confirma las características dependientes de la profundidad para el flujo sanguíneo y la velocidad en las arteriolas penetrantes al inicio del estudio, y destaca una variación dependiente de la profundidad en la velocidad sanguínea durante la activación. También cuantifica los grandes aumentos del flujo de microburbujas, la velocidad de la sangre y el diámetro de las vénulas durante la activación”.
Como nueva herramienta de investigación de imágenes, fULM proporciona una forma de rastrear los cambios dinámicos durante la activación del cerebro y ofrecerá información sobre los circuitos neuronales del cerebro. Ayudará al estudio de la conectividad funcional, la actividad cortical específica de la capa o las alteraciones del acoplamiento neurovascular en una escala de todo el cerebro.
Tanter señala que los investigadores del Instituto de Física para la Medicina están colaborando con la empresa de tecnología médica con sede en París. iconeo, para hacer que esta tecnología esté disponible para la comunidad de neurociencias y para imágenes clínicas muy rápidamente.
