Neurokuvaus on lisännyt ymmärrystämme aivojen toiminnasta. Tällaisiin tekniikoihin kuuluu usein verenvirtauksen vaihteluiden mittaaminen aivojen aktivaation havaitsemiseksi, mikä hyödyntää aivojen verisuonten ja hermosolujen toiminnan perustavanlaatuista vuorovaikutusta. Kaikki muutokset tässä niin kutsutussa neurovaskulaarisessa kytkennässä ovat vahvasti yhteydessä aivojen toimintahäiriöön. Kyky kuvata aivojen mikroverenkiertoa on erityisen tärkeä, koska hermostoa rappeuttavat sairaudet, kuten dementia ja Alzheimerin tauti, sisältävät pienten aivosuonien toimintahäiriöitä.
Tutkijat Pariisin lääketieteen fysiikan instituutti (Inserm/ESPCI PSL University/CNRS) ovat nyt kehittäneet menetelmän, jota kutsutaan funktionaaliseksi ultraäänilokalisaatiomikroskoopiksi (fULM), joka voi siepata aivojen aktiivisuutta mikronimittakaavassa. Ryhmä julkaisi ensimmäiset mikronikokoiset kokoaivokuvat jyrsijöiden verisuonitoiminnasta vuonna Luontomenetelmät, sekä yksityiskohtainen selitys fULM-kuvanhankinta- ja -analyysimenetelmistä.
Toisin kuin invasiiviset sähköfysiologiset tai optiset lähestymistavat aivojen toiminnan tutkimiseksi mikroskooppisessa mittakaavassa, ultraäänilokalisaatiomikroskoopia (ULM) voi olla ei-invasiivinen. Kuvaustekniikka jäljittää verenkiertoon ruiskutettuja bioyhteensopivia mikronkokoisia mikrokuplia ja keräämällä miljoonien mikrokuplien jäljet, rekonstruoidut kuvat voivat paljastaa hienovaraisia muutoksia aivoveren tilavuudessa mikronin tarkkuudella suurilla näkökentillä.
Tutkijat ovat aiemmin käyttäneet ULM:ää paljastamaan mikrovaskulaarista anatomiaa koko aivojen mittakaavassa jyrsijöillä ja ihmisillä. ULM:n spatiaalinen resoluutio on 16 kertaa parempi kuin toiminnallisella ultraäänikuvauksella saavutettava. Mutta koska hankintaprosessi on hidas, ULM voi tuottaa vain staattisia karttoja hermosolujen toiminnan aiheuttamasta verenkierrosta.
FULM-tekniikka voittaa tämän rajoituksen. Aivojen mikroverisuonten kuvantamisen lisäksi tekniikka havaitsee paikallisen aivojen aktivaation laskemalla kussakin suonessa kulkevien mikrokuplien lukumäärän ja nopeuden. Kun aivoalue aktivoituu, neurovaskulaarinen kytkentä saa aikaan veren tilavuuden kasvun paikallisesti, laajentaen verisuonia ja päästäen enemmän mikrokuplia kulkemaan. fULM tarjoaa paikallisia arvioita useista parametreista, jotka kuvaavat tällaista verisuonten dynamiikkaa, mukaan lukien mikrokuplavirtaus, nopeus ja suonen halkaisijat.
Päätutkijan mukaan Mikael Tanter ja kollegat, integroimalla fULM:n kustannustehokkaaksi, helppokäyttöiseksi ultraääniskanneriksi, se tarjoaa "kvantitatiivisen kuvan aivojen mikroverenkiertoverkostosta ja sen hemodynaamisista muutoksista yhdistämällä aivojen laajuisen spatiaalisen ulottuvuuden mikroskooppiseen resoluutioon ja 1 sekunnin aikaresoluutioon yhteensopiva neurofunktionaalisen kuvantamisen kanssa”.
In vivo opinnot
FULM-konseptin osoittamiseksi tutkijat kuvasivat ensin laboratoriorottia toiminnallisella ultraäänellä (ilman kontrastia), mitä seurasi ULM samassa kuvaustasossa. He yhdistivät sensoriset stimulaatiot (viikset poikkeutukset tai visuaalinen stimulaatio) nukutetuissa rotissa jatkuvalla mikrokupla-injektiolla. ULM:a varten rotat saivat jatkuvan hitaan mikrokuplien injektion 20 minuutin kuvausistunnon aikana, mikä johti noin 30 mikrokuplaan ultraäänikehystä kohti.
ULM-käsittelyn aikana tutkijat tallensivat jokaisen raidan jokaisella mikrokuplan sijainnilla ja vastaavalla aika-asemalla. He rakensivat ULM-kuvia valitsemalla pikselin koon ja lajittelemalla jokaisen mikrokuplan jokaisen pikselin sisällä. Analyyseihin käytettiin vain pikseleitä, joissa oli vähintään viisi erilaista mikrokuplatunnistusta kokonaiskeräysajan aikana.
Tekniikan avulla tutkijat pystyivät kartoittamaan toiminnallista hyperemiaa (verisuonten lisääntyminen) sekä aivokuoren että subkortikaalisilla alueilla 6.5 µm:n resoluutiolla. He määrittivät ajalliset hemodynaamiset vasteet viiksistimulaatioiden aikana neljälle rotalle ja visuaalisen stimulaation aikana kolmelle rotalle mittaamalla mikrokuplavirtaa ja -nopeutta.
Ryhmä määritti verisuonten osallistumisen toiminnallisen hyperemian aikana. He havaitsivat mikrokuplien määrän, nopeuden ja halkaisijan lisääntymistä edustavan valtimon ja laskimon kohdalla (hyvin pienet verisuonet/laskimot, jotka johtavat kapillaareihin/ulos niistä), huomauttaen, että kontrollieläimissä ei havaittu mitään muutoksia. He ottivat käyttöön myös "perfuusio"- ja "virtausalueindeksin" kvantitoidakseen edelleen kunkin yksittäisen verisuonen osallistumista. Nämä lisääntyivät 28 % ja 54 % stimulaation aikana valtimolle ja laskimolle, vastaavasti.
Suuren näkökentän ansiosta tutkijat pystyivät suorittamaan kvantitatiivisia analyyseja samanaikaisesti jokaiselle suonelle koko rotan aivoviipalekuvassa, jopa syvissa rakenteissa, kuten talamuksessa viiksistimulaatiota varten ja ylivoimaisessa kollikulussa visuaalista stimulaatiota varten.
"Saavutettu spatiotemporaalinen resoluutio mahdollistaa fULM:n kuvaamisen eri verisuoniosastoista koko aivoissa ja erottaa niiden osuudet, erityisesti esikapillaarisissa arterioleissa, joiden tiedetään vaikuttavan merkittävästi verisuonimuutoksiin hermosolujen toiminnan aikana", kirjoittajat kirjoittavat.
Ultranopea ultraääni kartoittaa pieniä verisuonia syvällä ihmisen aivoissa
He lisäävät: "fULM osoittaa, että suhteellinen lisääntyminen mikrokuplavirtauksessa on suurempi intraparenkymaalisissa verisuonissa pikemminkin kuin arterioleissa. fULM vahvistaa myös syvyydestä riippuvat ominaisuudet veren virtaukselle ja valtimoiden tunkeutumisnopeudelle lähtötasolla ja korostaa syvyydestä riippuvaa veren nopeuden vaihtelua aktivoinnin aikana. Se myös mittaa mikrokuplavirtauksen, veren nopeuden ja halkaisijan suuren määrän laskimoissa aktivoinnin aikana."
Uutena kuvantamisen tutkimustyökaluna fULM tarjoaa tavan seurata dynaamisia muutoksia aivojen aktivoitumisen aikana ja tarjoaa näkemyksiä hermo-aivojen piireistä. Se auttaa tutkimaan toiminnallista kytkentää, kerroskohtaista aivokuoren aktiivisuutta ja/tai neurovaskulaarisia kytkentämuutoksia aivojen laajuisesti.
Tanter huomauttaa, että Institute Physics for Medicinen tutkijat tekevät yhteistyötä Pariisissa toimivan lääketieteellisen teknologiayrityksen kanssa Iconeus, jotta tämä tekniikka saataisiin neurotiedeyhteisön ja kliinisen kuvantamisen käyttöön erittäin nopeasti.
