Neuroimaging telah meningkatkan pemahaman kita tentang fungsi otak. Teknik seperti itu sering kali melibatkan pengukuran variasi aliran darah untuk mendeteksi aktivasi otak, memanfaatkan interaksi mendasar antara aktivitas pembuluh darah dan saraf otak. Setiap perubahan dalam apa yang disebut kopling neurovaskular ini sangat terkait dengan disfungsi serebral. Kemampuan untuk membayangkan mikrosirkulasi serebral sangat penting, karena penyakit neurodegeneratif seperti demensia dan Alzheimer melibatkan disfungsi pembuluh darah otak kecil.
Periset di Institut Fisika Untuk Kedokteran Paris (Inserm/ESPCI Universitas PSL/CNRS) kini telah mengembangkan metode yang disebut mikroskopi lokalisasi ultrasound fungsional (fULM) yang dapat menangkap aktivitas otak pada skala mikron. Tim menerbitkan gambar seluruh otak skala mikron pertama dari aktivitas vaskular hewan pengerat di Metode Alam, bersama dengan penjelasan rinci tentang akuisisi gambar dan prosedur analisis fULM.
Tidak seperti pendekatan elektrofisiologis atau optik invasif untuk mempelajari fungsi otak pada skala mikroskopis, mikroskop lokalisasi ultrasound (ULM) dapat bersifat non-invasif. Teknologi pencitraan melacak gelembung mikro berukuran mikron biokompatibel yang disuntikkan ke dalam sirkulasi darah dan dengan mengumpulkan jejak jutaan gelembung mikro, gambar yang direkonstruksi dapat mengungkapkan perubahan halus dalam volume darah otak dengan akurasi berukuran mikron, di seluruh bidang pandang yang luas.
Para peneliti sebelumnya telah menggunakan ULM untuk mengungkapkan anatomi mikrovaskular pada skala seluruh otak pada hewan pengerat dan manusia. Resolusi spasial ULM 16 kali lipat lebih baik daripada yang dicapai dengan pencitraan ultrasound fungsional. Tetapi karena proses akuisisinya lambat, ULM hanya dapat menghasilkan peta statis aliran darah yang disebabkan oleh aktivitas saraf.
Teknik fULM mengatasi keterbatasan ini. Selain pencitraan mikrovaskular otak, teknik ini mendeteksi aktivasi otak lokal dengan menghitung jumlah dan kecepatan gelembung mikro yang lewat di setiap pembuluh darah. Ketika suatu wilayah otak aktif, kopling neurovaskular menyebabkan volume darah meningkat secara lokal, melebarkan pembuluh darah dan memungkinkan lebih banyak gelembung mikro lewat. fULM memberikan perkiraan lokal dari beberapa parameter yang mencirikan dinamika vaskular tersebut, termasuk aliran gelembung mikro, kecepatan, dan diameter pembuluh darah.
Menurut peneliti utama Michael Tanter dan rekan, mengintegrasikan fULM ke dalam pemindai ultrasound yang hemat biaya dan mudah digunakan memberikan “pandangan kuantitatif pada jaringan mikrosirkulasi serebral dan perubahan hemodinamiknya dengan menggabungkan luas spasial otak dengan resolusi mikroskopis dan resolusi temporal 1 detik. kompatibel dengan pencitraan neurofungsional”.
In vivo studi
Untuk mendemonstrasikan konsep fULM, para peneliti pertama-tama mencitrakan tikus laboratorium dengan ultrasound fungsional (tanpa kontras), diikuti oleh ULM dalam bidang pencitraan yang sama. Mereka menggabungkan stimulasi sensorik (defleksi kumis atau stimulasi visual) pada tikus yang dibius dengan injeksi microbubble terus menerus. Untuk ULM, tikus-tikus tersebut menerima injeksi microbubbles yang lambat secara terus menerus selama sesi pencitraan 20 menit, yang mengarah ke sekitar 30 microbubbles per frame ultrasound.
Selama pemrosesan ULM, para peneliti menyimpan setiap trek dengan masing-masing posisi microbubble dan posisi waktunya masing-masing. Mereka membangun gambar ULM dengan memilih ukuran piksel dan menyortir setiap gelembung mikro dalam setiap piksel. Hanya piksel dengan setidaknya lima deteksi microbubble berbeda selama total waktu akuisisi yang digunakan untuk analisis.
Teknik ini memungkinkan para peneliti untuk memetakan hiperemia fungsional (peningkatan darah di pembuluh darah) di area kortikal dan subkortikal dengan resolusi 6.5 m. Mereka mengukur respons hemodinamik temporal selama stimulasi kumis untuk empat tikus dan selama stimulasi visual untuk tiga tikus, dengan mengukur fluks dan kecepatan gelembung mikro.
Tim mengukur keterlibatan pembuluh darah selama hiperemia fungsional. Mereka mengamati peningkatan jumlah gelembung mikro, kecepatan dan diameter untuk arteriol dan venula yang representatif (arteri/vena sangat kecil yang menuju ke/keluar kapiler), mencatat bahwa hewan kontrol tidak menunjukkan perubahan apa pun. Mereka juga memperkenalkan "perfusi" dan "indeks area drainase" untuk mengukur lebih lanjut keterlibatan setiap pembuluh darah individu. Ini meningkat sebesar 28% dan 54% selama stimulasi untuk arteriol dan venula, masing-masing.
Karena bidang pandang yang luas, para peneliti dapat melakukan analisis kuantitatif secara bersamaan untuk setiap pembuluh darah di seluruh gambar irisan otak tikus, bahkan dalam struktur dalam seperti talamus untuk stimulasi kumis dan colliculus superior untuk stimulasi visual.
“Resolusi spatiotemporal yang dicapai memungkinkan fULM untuk menggambarkan kompartemen vaskular yang berbeda di seluruh otak dan untuk membedakan kontribusi masing-masing, khususnya di arteriol prekapiler yang diketahui memiliki kontribusi besar terhadap perubahan vaskular selama aktivitas saraf,” tulis para penulis.
Ultrafast ultrasound memetakan pembuluh darah kecil jauh di dalam otak manusia
Mereka menambahkan: “fULM menunjukkan bahwa peningkatan relatif dalam aliran gelembung mikro lebih besar di pembuluh intra-parenkim daripada di arteriol. fULM juga menegaskan karakteristik yang bergantung pada kedalaman untuk aliran darah dan kecepatan dalam menembus arteriol pada awal, dan menyoroti variasi yang bergantung pada kedalaman dalam kecepatan darah selama aktivasi. Ini juga mengukur peningkatan besar fluks gelembung mikro, kecepatan darah, dan diameter di venula selama aktivasi.
Sebagai alat penelitian pencitraan baru, fULM menyediakan cara untuk melacak perubahan dinamis selama aktivasi otak dan akan menawarkan wawasan tentang sirkuit otak saraf. Ini akan membantu studi konektivitas fungsional, aktivitas kortikal khusus lapisan dan atau perubahan kopling neurovaskular pada skala luas otak.
Tanter mencatat bahwa para peneliti di Institut Fisika untuk Kedokteran sedang berkolaborasi dengan perusahaan teknologi medis yang berbasis di Paris ikoneus, untuk membuat teknologi ini tersedia untuk komunitas ilmu saraf dan pencitraan klinis dengan sangat cepat.
