Neuroobrazowanie zwiększyło nasze zrozumienie funkcji mózgu. Takie techniki często obejmują pomiar zmienności przepływu krwi w celu wykrycia aktywacji mózgu, wykorzystując fundamentalną interakcję między czynnościami naczyniowymi i neuronalnymi mózgu. Wszelkie zmiany w tym tak zwanym sprzężeniu nerwowo-naczyniowym są silnie powiązane z dysfunkcją mózgu. Zdolność do obrazowania mikrokrążenia mózgowego jest szczególnie ważna, ponieważ choroby neurodegeneracyjne, takie jak otępienie i choroba Alzheimera, wiążą się z dysfunkcją małych naczyń mózgowych.
Naukowcy z Instytut Fizyki Medycyny Paryż (Inserm/ESPCI Uniwersytet PSL/CNRS) opracowali metodę zwaną funkcjonalną ultradźwiękową mikroskopią lokalizacyjną (fULM), która może rejestrować aktywność mózgu w skali mikronowej. Zespół opublikował pierwsze obrazy całego mózgu w skali mikrona przedstawiające aktywność naczyniową gryzoni w: Metody przyrodnicze, wraz ze szczegółowym wyjaśnieniem procedur akwizycji i analizy obrazów fULM.
W przeciwieństwie do inwazyjnych metod elektrofizjologicznych lub optycznych do badania funkcji mózgu w skali mikroskopowej, ultradźwiękowa mikroskopia lokalizacyjna (ULM) może być nieinwazyjna. Technologia obrazowania śledzi biokompatybilne mikropęcherzyki wielkości mikronów wstrzykiwanych do krwiobiegu, a dzięki gromadzeniu śladów milionów mikropęcherzyków zrekonstruowane obrazy mogą ujawnić subtelne zmiany w objętości krwi mózgowej z dokładnością do mikrona w szerokim polu widzenia.
Naukowcy wcześniej wykorzystali ULM do ujawnienia anatomii mikronaczyniowej w skali całego mózgu u gryzoni i ludzi. Rozdzielczość przestrzenna ULM jest 16-krotnie lepsza niż w przypadku funkcjonalnego obrazowania ultrasonograficznego. Ale ponieważ proces akwizycji jest powolny, ULM może tworzyć jedynie statyczne mapy przepływu krwi indukowane przez aktywność neuronalną.
Technika fULM przezwycięża to ograniczenie. Oprócz obrazowania mikronaczyń w mózgu technika ta wykrywa lokalną aktywację mózgu poprzez obliczenie liczby i szybkości przepływu mikropęcherzyków w każdym naczyniu. Kiedy obszar mózgu aktywuje się, sprzężenie nerwowo-naczyniowe powoduje miejscowe zwiększenie objętości krwi, rozszerzając naczynia i umożliwiając przepływ większej ilości mikropęcherzyków. fULM zapewnia lokalne szacunki wielu parametrów, które charakteryzują taką dynamikę naczyń, w tym przepływ mikropęcherzyków, prędkość i średnice naczyń.
Według kierownika projektu Mickaela Tantera i współpracownicy, integrując fULM z opłacalnym, łatwym w użyciu skanerem ultradźwiękowym, zapewnia „ilościowe spojrzenie na mózgową sieć mikrokrążenia i jej zmiany hemodynamiczne poprzez połączenie zasięgu przestrzennego w całym mózgu z rozdzielczością mikroskopową i rozdzielczością czasową 1 s kompatybilny z obrazowaniem neurofunkcyjnym”.
In vivo badania naukowe
Aby zademonstrować koncepcję fULM, naukowcy najpierw zobrazowali szczury laboratoryjne za pomocą funkcjonalnego ultradźwięku (bez kontrastu), a następnie ULM w tej samej płaszczyźnie obrazowania. Połączyli stymulację czuciową (odchylanie wąsów lub stymulację wzrokową) u znieczulonych szczurów z ciągłym wstrzykiwaniem mikropęcherzyków. W przypadku ULM szczury otrzymywały ciągłe powolne wstrzykiwanie mikropęcherzyków podczas 20-minutowej sesji obrazowania, co prowadziło do około 30 mikropęcherzyków na ramkę USG.
Podczas przetwarzania ULM naukowcy zapisywali każdą ścieżkę z każdą pozycją mikropęcherzyków i odpowiednią pozycją czasową. Skonstruowali obrazy ULM, wybierając rozmiar piksela i sortując każdy mikropęcherzyk w każdym pikselu. Do analiz wykorzystano tylko piksele z co najmniej pięcioma różnymi wykryciami mikropęcherzyków podczas całkowitego czasu akwizycji.
Technika ta umożliwiła naukowcom mapowanie funkcjonalnego przekrwienia (zwiększona ilość krwi w naczyniach) zarówno w obszarze korowym, jak i podkorowym z rozdzielczością 6.5 µm. Określili ilościowo czasowe odpowiedzi hemodynamiczne podczas stymulacji wąsów u czterech szczurów i podczas stymulacji wzrokowej u trzech szczurów, mierząc przepływ i prędkość mikropęcherzyków.
Zespół określił ilościowo udział naczyń krwionośnych podczas przekrwienia czynnościowego. Zaobserwowali wzrost liczby mikropęcherzyków, szybkości i średnicy reprezentatywnej tętniczki i żyłki (bardzo małe tętnice/żyły prowadzące do/z naczyń włosowatych), zauważając, że zwierzęta kontrolne nie wykazywały żadnych zmian. Wprowadzili również „perfuzję” i „wskaźnik obszaru drenażu” w celu dalszego oszacowania zaangażowania każdego pojedynczego naczynia krwionośnego. Wzrosły one o 28% i 54% podczas stymulacji odpowiednio tętniczek i żyłek.
Ze względu na duże pole widzenia, naukowcy mogli wykonywać analizy ilościowe jednocześnie dla każdego naczynia na całym obrazie wycinka mózgu szczura, nawet w głębokich strukturach, takich jak wzgórze do stymulacji wąsów i wzgórek górny do stymulacji wzroku.
„Osiągnięta rozdzielczość czasoprzestrzenna umożliwia fULM obrazowanie różnych przedziałów naczyniowych w całym mózgu i rozróżnianie ich wkładu, w szczególności w tętniczkach przedwłośniczkowych, o których wiadomo, że mają duży udział w zmianach naczyniowych podczas aktywności neuronalnej” – piszą autorzy.
Ultraszybkie ultradźwięki odwzorowują maleńkie naczynia krwionośne głęboko w ludzkim mózgu
Dodają: „fULM pokazuje, że względny wzrost przepływu mikropęcherzyków jest większy w naczyniach wewnątrzmiąższowych niż w tętniczkach. fULM potwierdza również zależną od głębokości charakterystykę przepływu krwi i prędkości w tętniczkach penetrujących na początku badania oraz podkreśla zależną od głębokości zmienność prędkości krwi podczas aktywacji. Określa również ilościowo duży wzrost przepływu mikropęcherzyków, prędkości krwi i średnicy żyłek podczas aktywacji”.
Jako nowe narzędzie badawcze do obrazowania, fULM zapewnia sposób na śledzenie dynamicznych zmian podczas aktywacji mózgu i zapewnia wgląd w obwody nerwowe mózgu. Pomoże to w badaniu łączności funkcjonalnej, specyficznej dla warstwy aktywności korowej i/lub zmian sprzężenia nerwowo-naczyniowego na skalę całego mózgu.
Tanter zauważa, że naukowcy z Institute Physics for Medicine współpracują z paryską firmą zajmującą się technologiami medycznymi Ikoneusz, aby bardzo szybko udostępnić tę technologię społeczności neuronaukowej i obrazowaniu klinicznym.
