A neuroimaging javította az agy működésének megértését. Az ilyen technikák gyakran magukban foglalják a véráramlás változásainak mérését az agyi aktiváció kimutatására, kihasználva az agy vaszkuláris és neuronális tevékenységei közötti alapvető kölcsönhatást. Ebben az úgynevezett neurovaszkuláris csatolásban bekövetkező bármilyen változás erősen összefügg az agyi diszfunkcióval. Az agyi mikrocirkuláció leképezésének képessége különösen fontos, mivel az olyan neurodegeneratív betegségek, mint a demencia és az Alzheimer-kór, a kis agyi erek diszfunkciójával járnak.
Kutatók a Institute Physics For Medicine Paris (Inserm/ESPCI PSL Egyetem/CNRS) kifejlesztették a funkcionális ultrahang lokalizációs mikroszkópiának (fULM) nevezett módszert, amely mikron skálán képes rögzíteni az agyi aktivitást. A csapat közzétette az első mikron léptékű, teljes agyra kiterjedő képeket a rágcsálók érrendszeri aktivitásáról Természeti módszerek, valamint a fULM képfelvételi és -elemzési eljárások részletes magyarázata.
Ellentétben az invazív elektrofiziológiai vagy optikai megközelítésekkel, amelyek az agy működését mikroszkopikus skálán vizsgálják, az ultrahang lokalizációs mikroszkópia (ULM) nem invazív lehet. A képalkotó technológia nyomon követi a vérkeringésbe fecskendezett biokompatibilis mikrobuborékokat, és a több millió mikrobuborék nyomait felhalmozva a rekonstruált képek mikron méretű pontossággal, nagy látómezőkön át tárják fel az agyi vértérfogat finom változásait.
A kutatók korábban az ULM-et használták rágcsálók és emberek mikrovaszkuláris anatómiájának feltárására a teljes agyi skálán. Az ULM térbeli felbontása 16-szor jobb, mint a funkcionális ultrahangos képalkotással. De mivel a felvételi folyamat lassú, az ULM csak statikus térképeket tud készíteni a neuronális aktivitás által kiváltott véráramlásról.
A fULM technika felülmúlja ezt a korlátot. Az agyi mikrovaszkulatúra képalkotása mellett a technika a helyi agyi aktivációt is kimutatja azáltal, hogy kiszámítja az egyes érekben áthaladó mikrobuborékok számát és sebességét. Amikor egy agyi régió aktiválódik, a neurovaszkuláris csatolás hatására a vértérfogat helyileg megnövekszik, tágítja az ereket és több mikrobuborékot enged át. A fULM számos olyan paraméter helyi becslését nyújtja, amelyek jellemzik az ilyen vaszkuláris dinamikát, beleértve a mikrobuborék-áramlást, a sebességet és az érátmérőket.
A főkutató szerint Mikael Tanter és munkatársaival a fULM integrálása egy költséghatékony, könnyen használható ultrahang szkennerbe „kvantitatív pillantást ad az agyi mikrokeringési hálózatra és annak hemodinamikai változásaira, az agy egészére kiterjedő térbeli kiterjedést a mikroszkópos felbontással és a neurofunkcionális képalkotással kompatibilis 1 s időbeli felbontással kombinálva”.
In vivo tanulmányok
A fULM koncepció bemutatására a kutatók először laboratóriumi patkányokat készítettek funkcionális ultrahanggal (kontraszt nélkül), majd az ULM-et ugyanabban a képalkotási síkban. Az érzéstelenített patkányokon szenzoros stimulációkat (bajusz-elhajlás vagy vizuális stimuláció) kombináltak folyamatos mikrobuborék-injekcióval. Az ULM esetében a patkányok folyamatos, lassú mikrobuborék-injekciót kaptak egy 20 perces képalkotó munkamenet során, ami körülbelül 30 mikrobuborékot eredményezett ultrahang keretenként.
Az ULM feldolgozás során a kutatók minden nyomvonalat elmentettek minden mikrobuborék-pozícióval és a megfelelő időpozícióval. ULM-képeket készítettek úgy, hogy kiválasztottak egy pixelméretet, és az egyes mikrobuborékokat az egyes pixeleken belül rendezték. Az elemzésekhez csak azokat a pixeleket használtuk, amelyeknél a teljes felvételi idő alatt legalább öt különböző mikrobuborék-detektálást észleltünk.
A technika lehetővé tette a kutatók számára, hogy 6.5 µm felbontással feltérképezzék a funkcionális hiperémiát (megnövekedett vér az erekben) mind a kérgi, mind a szubkortikális területeken. Számszerűsítették az időbeli hemodinamikai válaszokat a whisker-stimuláció során négy patkánynál és a vizuális stimuláció során három patkánynál a mikrobuborék-fluxus és -sebesség mérésével.
A csapat számszerűsítette az erek érintettségét a funkcionális hiperémia során. Megfigyelték a mikrobuborékok számának, sebességének és átmérőjének növekedését egy reprezentatív arteriolánál és venulánál (nagyon kis artériák/vénák, amelyek a kapillárisokba vezetnek/kilépnek), megjegyezve, hogy a kontroll állatok nem mutattak semmilyen változást. Bevezették a „perfúziót” és a „lefolyási terület indexet” is, hogy további számszerűsítsék az egyes véredények érintettségét. Ezek 28%-kal, illetve 54%-kal növekedtek az arteriola és a venula stimulációja során.
A nagy látómezőnek köszönhetően a kutatók egyidejűleg kvantitatív elemzéseket végezhettek minden érre a teljes patkányagy szeletképen, még olyan mély struktúrákban is, mint a thalamus a bajuszstimulációhoz és a kiváló colliculus vizuális stimulációhoz.
"Az elért spatiotemporális felbontás lehetővé teszi a fULM számára, hogy az egész agyban különböző vaszkuláris kompartmenteket ábrázoljon, és megkülönböztethesse azok hozzájárulását, különösen a prekapilláris arteriolákban, amelyekről ismert, hogy jelentős mértékben járulnak hozzá az érrendszeri változásokhoz a neuronális tevékenységek során" - írják a szerzők.
Az ultragyors ultrahang feltérképezi az emberi agy mélyén lévő apró ereket
Hozzáteszik: „A fULM azt mutatja, hogy a mikrobuborék-áramlás relatív növekedése nagyobb az intraparenchymalis erekben, mint az arteriolákban. A fULM megerősíti a véráramlás mélységfüggő jellemzőit és az arteriolákba való behatolás sebességét az alapvonalon, és kiemeli a vérsebesség mélységfüggő változását az aktiválás során. Ezenkívül számszerűsíti a mikrobuborék-fluxus, a vérsebesség és a venulák átmérőjének jelentős növekedését az aktiválás során.
Új képalkotó kutatási eszközként a fULM lehetőséget biztosít az agyi aktiválás során bekövetkező dinamikus változások nyomon követésére, és betekintést nyújt az idegi agyi áramkörökbe. Segíteni fogja a funkcionális összeköttetések, a réteg-specifikus kérgi aktivitás és/vagy a neurovaszkuláris kapcsolódási változások tanulmányozását az agy egészére kiterjedően.
Tanter megjegyzi, hogy az Institute Physics for Medicine kutatói együttműködnek a párizsi székhelyű orvostechnológiai céggel Iconeus, hogy ezt a technológiát nagyon gyorsan elérhetővé tegyük az idegtudományi közösség és a klinikai képalkotás számára.
