Nevroimaging har økt vår forståelse av hjernens funksjon. Slike teknikker involverer ofte måling av blodstrømsvariasjoner for å oppdage hjerneaktivering, og utnytter den grunnleggende interaksjonen mellom hjernens vaskulære og nevronale aktiviteter. Eventuelle endringer i denne såkalte neurovaskulære koblingen er sterkt knyttet til cerebral dysfunksjon. Evnen til å avbilde cerebral mikrosirkulasjon er spesielt viktig, siden nevrodegenerative sykdommer som demens og Alzheimers involverer dysfunksjon av de små cerebrale karene.
Forskere på Institutt for fysikk for medisin Paris (Inserm/ESPCI PSL University/CNRS) har nå utviklet en metode kalt funksjonell ultralyd lokaliseringsmikroskopi (fULM) som kan fange opp hjerneaktivitet på mikronskala. Teamet publiserte de første mikron-skala, helhjernebildene av vaskulær aktivitet hos gnagere i Naturmetoder, sammen med en detaljert forklaring av FULM-bildeinnsamling og analyseprosedyrer.
I motsetning til invasive elektrofysiologiske eller optiske tilnærminger for å studere hjernefunksjon i mikroskopisk skala, kan ultralydlokaliseringsmikroskopi (ULM) være ikke-invasiv. Bildeteknologien sporer biokompatible mikrobobler i mikronstørrelse injisert i blodsirkulasjonen, og ved å samle sporene til millioner av mikrobobler kan rekonstruerte bilder avsløre subtile endringer i hjerneblodvolumet med nøyaktighet på mikron, over store synsfelt.
Forskere har tidligere brukt ULM for å avsløre mikrovaskulær anatomi i hele hjerneskalaen hos gnagere og mennesker. Den romlige oppløsningen til ULM er 16 ganger bedre enn den som oppnås med funksjonell ultralydavbildning. Men fordi anskaffelsesprosessen er langsom, kan ULM bare produsere statiske kart over blodstrøm indusert av nevronaktiviteten.
FULM-teknikken overvinner denne begrensningen. I tillegg til å avbilde hjernens mikrovaskulatur, oppdager teknikken lokal hjerneaktivering ved å beregne antall og hastighet på mikrobobler som passerer i hvert kar. Når en hjerneregion aktiveres, fører nevrovaskulær kobling til at blodvolumet øker lokalt, utvider karene og lar flere mikrobobler passere. fULM gir lokale estimater av flere parametere som karakteriserer slik vaskulær dynamikk, inkludert mikroboblestrøm, hastighet og kardiametre.
Ifølge hovedetterforsker Mickael Tanter og kolleger, ved å integrere FULM i en kostnadseffektiv, brukervennlig ultralydskanner gir "en kvantitativ titt på det cerebrale mikrosirkulasjonsnettverket og dets hemodynamiske endringer ved å kombinere en hjerneomfattende romlig utstrekning med en mikroskopisk oppløsning og en 1 s tidsoppløsning kompatibel med nevrofunksjonell avbildning».
In vivo studier
For å demonstrere fULM-konseptet avbildet forskerne først laboratorierotter med funksjonell ultralyd (uten kontrast), etterfulgt av ULM i samme bildeplan. De kombinerte sensoriske stimuleringer (defleksjon av værhår eller visuell stimulering) hos bedøvede rotter med kontinuerlig mikrobobleinjeksjon. For ULM mottok rottene en kontinuerlig langsom injeksjon av mikrobobler i løpet av en 20 min avbildningsøkt, noe som førte til omtrent 30 mikrobobler per ultralydramme.
Under ULM-behandling lagret forskerne hvert spor med hver mikrobobleposisjon og dens respektive tidsposisjon. De konstruerte ULM-bilder ved å velge en pikselstørrelse og sortere hver mikroboble innenfor hver piksel. Bare piksler med minst fem forskjellige mikrobobledeteksjoner i løpet av den totale innsamlingstiden ble brukt til analyser.
Teknikken gjorde det mulig for forskerne å kartlegge funksjonell hyperemi (økt blod i karene) i både kortikale og subkortikale områder med 6.5 µm oppløsning. De kvantifiserte de temporale hemodynamiske responsene under whisker-stimuleringer for fire rotter og under visuelle stimuleringer for tre rotter, ved å måle mikroboblefluksen og hastigheten.
Teamet kvantifiserte involveringen av blodkar under funksjonell hyperemi. De observerte økninger i antall mikrobobler, hastighet og diameter for en representativ arteriole og venule (svært små arterier/vener som fører inn/ut av kapillærene), og la merke til at kontrolldyrene ikke viste noen endringer. De introduserte også en "perfusjon" og "dreneringsområdeindeks" for ytterligere å kvantifisere involveringen av hvert enkelt blodkar. Disse økte med 28 % og 54 % under stimulering for henholdsvis arteriolen og venulen.
På grunn av det store synsfeltet kunne forskerne utføre kvantitative analyser samtidig for hvert fartøy på tvers av hele rottehjernebildet, selv i dype strukturer som thalamus for whisker-stimuleringer og superior colliculus for visuelle stimuleringer.
"Den oppnådde spatiotemporale oppløsningen gjør det mulig for FULM å avbilde forskjellige vaskulære rom i hele hjernen og å diskriminere deres respektive bidrag, spesielt i de prekapillære arteriolene som er kjent for å ha et stort bidrag til vaskulære endringer under nevronale aktiviteter," skriver forfatterne.
Ultrarask ultralyd kartlegger små blodårer dypt i menneskehjernen
De legger til: "fULM viser at den relative økningen i mikroboblestrømmen er større i intra-parenkymale kar i stedet for i arterioler. fULM bekrefter også dybdeavhengige egenskaper for blodstrøm og hastighet i penetrerende arterioler ved baseline, og fremhever en dybdeavhengig variasjon i blodhastighet under aktivering. Den kvantifiserer også store økninger av mikroboblefluks, blodhastighet og diameter i venoler under aktivering.»
Som et nytt bildeforskningsverktøy gir fULM en måte å spore dynamiske endringer under hjerneaktivering og vil gi innsikt i nevrale hjernekretsløp. Det vil hjelpe studiet av funksjonell tilkobling, lagspesifikk kortikal aktivitet og eller nevrovaskulære koblingsendringer på en hjerneomfattende skala.
Tanter bemerker at forskere ved Institute Physics for Medicine samarbeider med det Paris-baserte medisinske teknologiselskapet Iconeus, for å gjøre denne teknologien tilgjengelig for nevrovitenskapsmiljøet og for klinisk avbildning veldig raskt.
