Neuroimaging heeft ons begrip van de hersenfunctie vergroot. Dergelijke technieken omvatten vaak het meten van variaties in de bloedstroom om hersenactivatie te detecteren, waarbij gebruik wordt gemaakt van de fundamentele interactie tussen de vasculaire en neuronale activiteiten van de hersenen. Eventuele veranderingen in deze zogenaamde neurovasculaire koppeling zijn sterk verbonden met cerebrale disfunctie. Het vermogen om de cerebrale microcirculatie in beeld te brengen is bijzonder belangrijk, aangezien neurodegeneratieve ziekten zoals dementie en de ziekte van Alzheimer een disfunctie van de kleine hersenvaten met zich meebrengen.
Onderzoekers bij Instituut Fysica voor Geneeskunde Parijs (Inserm/ESPCI PSL Universiteit/CNRS) hebben nu een methode ontwikkeld die functionele ultrasone lokalisatiemicroscopie (fULM) wordt genoemd en waarmee cerebrale activiteit op micronschaal kan worden vastgelegd. Het team publiceerde de eerste micron-schaal, hele-hersenbeelden van vasculaire activiteit van knaagdieren in Nature Methods, samen met een gedetailleerde uitleg van de fULM-beeldacquisitie- en analyseprocedures.
In tegenstelling tot invasieve elektrofysiologische of optische benaderingen om de hersenfunctie op microscopische schaal te bestuderen, kan ultrasone lokalisatiemicroscopie (ULM) niet-invasief zijn. De beeldvormingstechnologie volgt biocompatibele microbellen ter grootte van een micron die in de bloedsomloop worden geïnjecteerd en door de sporen van miljoenen microbellen te accumuleren, kunnen gereconstrueerde beelden subtiele veranderingen in het cerebrale bloedvolume onthullen met een nauwkeurigheid van microngrootte, over grote gezichtsvelden.
Onderzoekers hebben eerder ULM gebruikt om de microvasculaire anatomie op de hele hersenschaal bij knaagdieren en mensen te onthullen. De ruimtelijke resolutie van ULM is 16 keer beter dan die bereikt met functionele echografie. Maar omdat het acquisitieproces traag is, kan ULM alleen statische kaarten produceren van de bloedstroom die wordt geïnduceerd door de neuronale activiteit.
De fULM-techniek overwint deze beperking. Naast het afbeelden van de microvasculatuur van de hersenen, detecteert de techniek lokale hersenactivatie door het aantal en de snelheid van microbellen die in elk vat passeren te berekenen. Wanneer een hersengebied wordt geactiveerd, zorgt neurovasculaire koppeling ervoor dat het bloedvolume lokaal toeneemt, waardoor de bloedvaten verwijden en meer microbellen kunnen passeren. fULM biedt lokale schattingen van meerdere parameters die dergelijke vasculaire dynamiek kenmerken, waaronder microbellenstroom, snelheid en vaatdiameters.
Volgens hoofdonderzoeker Michaël Tanter en collega's, de integratie van fULM in een kostenefficiënte, gebruiksvriendelijke ultrasone scanner biedt "een kwantitatieve kijk op het cerebrale microcirculatienetwerk en zijn hemodynamische veranderingen door een hersenbrede ruimtelijke omvang te combineren met een microscopische resolutie en een temporele resolutie van 1 s compatibel met neurofunctionele beeldvorming”.
In vivo studies
Om het fULM-concept te demonstreren, beeldden de onderzoekers eerst laboratoriumratten af met functionele echografie (zonder contrast), gevolgd door ULM in hetzelfde beeldvormingsvlak. Ze combineerden sensorische stimulaties (doorbuigingen van de snorharen of visuele stimulatie) bij verdoofde ratten met continue injectie van microbellen. Voor ULM ontvingen de ratten een continue langzame injectie van microbellen tijdens een beeldvormingssessie van 20 minuten, wat leidde tot ongeveer 30 microbellen per ultrageluidframe.
Tijdens de ULM-verwerking hebben de onderzoekers elk nummer opgeslagen met elke positie van de microbellen en de bijbehorende tijdpositie. Ze construeerden ULM-afbeeldingen door een pixelgrootte te selecteren en elke microbel binnen elke pixel te sorteren. Alleen pixels met ten minste vijf verschillende microbeldetecties tijdens de totale acquisitietijd werden voor analyses gebruikt.
De techniek stelde de onderzoekers in staat om functionele hyperemie (verhoogd bloed in de bloedvaten) in zowel corticale als subcorticale gebieden in kaart te brengen met een resolutie van 6.5 µm. Ze kwantificeerden de temporele hemodynamische reacties tijdens snorhaarstimulaties voor vier ratten en tijdens visuele stimulaties voor drie ratten, door de flux en snelheid van microbellen te meten.
Het team kwantificeerde de betrokkenheid van bloedvaten tijdens functionele hyperemie. Ze observeerden een toename van het aantal microbellen, de snelheid en de diameter voor een representatieve arteriole en venule (zeer kleine slagaders/aders die in/uit de haarvaten leiden), en merkten op dat controledieren geen veranderingen vertoonden. Ze introduceerden ook een "perfusie" en "drainage area index" om de betrokkenheid van elk afzonderlijk bloedvat verder te kwantificeren. Deze stegen met respectievelijk 28% en 54% tijdens stimulatie voor de arteriole en venule.
Vanwege het grote gezichtsveld konden de onderzoekers gelijktijdig kwantitatieve analyses uitvoeren voor elk vat over het hele beeld van de hersenen van de rat, zelfs in diepe structuren zoals de thalamus voor snorhaarstimulaties en superieure colliculus voor visuele stimulaties.
"De bereikte spatiotemporele resolutie stelt fULM in staat om verschillende vasculaire compartimenten in de hele hersenen in beeld te brengen en hun respectieve bijdragen te onderscheiden, met name in de precapillaire arteriolen waarvan bekend is dat ze een belangrijke bijdrage leveren aan vasculaire veranderingen tijdens neuronale activiteiten", schrijven de auteurs.
Ultrasnelle echografie brengt kleine bloedvaten diep in het menselijk brein in kaart
Ze voegen eraan toe: “fULM laat zien dat de relatieve toename van de microbellenstroom groter is in intra-parenchymale vaten dan in arteriolen. fULM bevestigt ook diepteafhankelijke kenmerken voor bloedstroom en snelheid in penetrerende arteriolen bij baseline, en benadrukt een diepteafhankelijke variatie in bloedsnelheid tijdens activering. Het kwantificeert ook grote toenames van de flux van microbellen, de bloedsnelheid en de diameter in venulen tijdens activering.”
Als een nieuwe onderzoekstool voor beeldvorming biedt fULM een manier om dynamische veranderingen tijdens hersenactivatie te volgen en biedt het inzicht in neurale hersencircuits. Het zal de studie van functionele connectiviteit, laagspecifieke corticale activiteit en/of neurovasculaire koppelingsveranderingen op een hersenbrede schaal helpen.
Tanter merkt op dat onderzoekers van Institute Physics for Medicine samenwerken met het in Parijs gevestigde bedrijf voor medische technologie Iconeus, om deze technologie zeer snel beschikbaar te maken voor de neurowetenschappelijke gemeenschap en voor klinische beeldvorming.
