La neuroimaging ha aumentato la nostra comprensione della funzione cerebrale. Tali tecniche spesso implicano la misurazione delle variazioni del flusso sanguigno per rilevare l'attivazione cerebrale, sfruttando l'interazione fondamentale tra le attività vascolari e neuronali del cervello. Eventuali alterazioni di questo cosiddetto accoppiamento neurovascolare sono fortemente legate alla disfunzione cerebrale. La capacità di visualizzare la microcircolazione cerebrale è particolarmente importante, poiché le malattie neurodegenerative come la demenza e l'Alzheimer comportano disfunzioni dei piccoli vasi cerebrali.
Ricercatori a Istituto di Fisica per la Medicina Parigi (Inserm/ESPCI PSL Università/CNRS) hanno ora sviluppato un metodo chiamato microscopia di localizzazione ecografica funzionale (fULM) in grado di catturare l'attività cerebrale su scala micrometrica. Il team ha pubblicato le prime immagini dell'intero cervello su scala micron dell'attività vascolare dei roditori Metodi della natura, insieme a una spiegazione dettagliata delle procedure di acquisizione e analisi dell'immagine fULM.
A differenza degli approcci elettrofisiologici o ottici invasivi per studiare la funzione cerebrale su scala microscopica, la microscopia di localizzazione ad ultrasuoni (ULM) può essere non invasiva. La tecnologia di imaging tiene traccia delle microbolle biocompatibili iniettate nella circolazione sanguigna e accumulando le tracce di milioni di microbolle, le immagini ricostruite possono rivelare sottili cambiamenti nel volume del sangue cerebrale con una precisione di dimensioni micrometriche, attraverso ampi campi visivi.
I ricercatori hanno precedentemente utilizzato l'ULM per rivelare l'anatomia microvascolare a scala dell'intero cervello nei roditori e nell'uomo. La risoluzione spaziale dell'ULM è 16 volte migliore di quella ottenuta con l'imaging ecografico funzionale. Ma poiché il processo di acquisizione è lento, ULM può produrre solo mappe statiche del flusso sanguigno indotto dall'attività neuronale.
La tecnica fULM supera questa limitazione. Oltre all'imaging della microvascolatura cerebrale, la tecnica rileva l'attivazione cerebrale locale calcolando il numero e la velocità delle microbolle che passano in ciascun vaso. Quando una regione del cervello si attiva, l'accoppiamento neurovascolare fa aumentare localmente il volume del sangue, dilatando i vasi sanguigni e consentendo il passaggio di più microbolle. fULM fornisce stime locali di molteplici parametri che caratterizzano tali dinamiche vascolari, inclusi flusso di microbolle, velocità e diametri dei vasi.
Secondo l'investigatore principale Michael Tanter e colleghi, l'integrazione di fULM in uno scanner a ultrasuoni economico e facile da usare fornisce "uno sguardo quantitativo alla rete microcircolatoria cerebrale e ai suoi cambiamenti emodinamici combinando un'estensione spaziale dell'intero cervello con una risoluzione microscopica e una risoluzione temporale di 1 s compatibile con l'imaging neurofunzionale”.
in vivo studi
Per dimostrare il concetto fULM, i ricercatori hanno prima ripreso ratti di laboratorio con ultrasuoni funzionali (senza contrasto), seguiti da ULM sullo stesso piano di imaging. Hanno combinato le stimolazioni sensoriali (deflessione dei baffi o stimolazione visiva) nei ratti anestetizzati con l'iniezione continua di microbolle. Per ULM, i ratti hanno ricevuto un'iniezione lenta continua di microbolle durante una sessione di imaging di 20 minuti, portando a circa 30 microbolle per frame di ultrasuoni.
Durante l'elaborazione ULM, i ricercatori hanno salvato ogni traccia con ciascuna posizione di microbolle e la rispettiva posizione temporale. Hanno costruito immagini ULM selezionando una dimensione in pixel e ordinando ogni microbolla all'interno di ogni pixel. Per le analisi sono stati utilizzati solo pixel con almeno cinque diversi rilevamenti di microbolle durante il tempo di acquisizione totale.
La tecnica ha consentito ai ricercatori di mappare l'iperemia funzionale (aumento del sangue nei vasi) in entrambe le aree corticali e sottocorticali con una risoluzione di 6.5 µm. Hanno quantificato le risposte emodinamiche temporali durante le stimolazioni dei baffi per quattro ratti e durante le stimolazioni visive per tre ratti, misurando il flusso e la velocità delle microbolle.
Il team ha quantificato il coinvolgimento dei vasi sanguigni durante l'iperemia funzionale. Hanno osservato un aumento del numero di microbolle, della velocità e del diametro di un'arteriola e di una venula rappresentative (arteriole/vene molto piccole che conducono all'interno/all'esterno dei capillari), osservando che gli animali di controllo non hanno mostrato alcun cambiamento. Hanno anche introdotto un "indice di perfusione" e "area di drenaggio" per quantificare ulteriormente il coinvolgimento di ogni singolo vaso sanguigno. Questi sono aumentati del 28% e del 54% durante la stimolazione rispettivamente dell'arteriola e della venula.
A causa dell'ampio campo visivo, i ricercatori potrebbero eseguire analisi quantitative simultaneamente per ogni vaso attraverso l'intera immagine della fetta del cervello di ratto, anche in strutture profonde come il talamo per le stimolazioni dei baffi e il collicolo superiore per le stimolazioni visive.
"La risoluzione spaziotemporale ottenuta consente a fULM di visualizzare diversi compartimenti vascolari nell'intero cervello e di discriminare i rispettivi contributi, in particolare nelle arteriole precapillari note per avere un contributo importante ai cambiamenti vascolari durante le attività neuronali", scrivono gli autori.
L'ecografia ultraveloce mappa i minuscoli vasi sanguigni nelle profondità del cervello umano
Aggiungono: “fULM mostra che l'aumento relativo del flusso di microbolle è maggiore nei vasi intra-parenchimali piuttosto che nelle arteriole. fULM conferma anche le caratteristiche dipendenti dalla profondità per il flusso sanguigno e la velocità di penetrazione delle arteriole al basale ed evidenzia una variazione dipendente dalla profondità della velocità sanguigna durante l'attivazione. Quantifica anche grandi aumenti del flusso di microbolle, della velocità del sangue e del diametro delle venule durante l'attivazione".
Come nuovo strumento di ricerca sull'imaging, fULM fornisce un modo per tenere traccia dei cambiamenti dinamici durante l'attivazione del cervello e offrirà approfondimenti sui circuiti neurali del cervello. Aiuterà lo studio della connettività funzionale, dell'attività corticale specifica dello strato e/o delle alterazioni dell'accoppiamento neurovascolare su scala cerebrale.
Tanter osserva che i ricercatori dell'Institute Physics for Medicine stanno collaborando con la società di tecnologia medica con sede a Parigi Iconeo, per rendere questa tecnologia disponibile molto rapidamente per la comunità delle neuroscienze e per l'imaging clinico.
