A neuroimagem aumentou nossa compreensão da função cerebral. Tais técnicas envolvem frequentemente a medição de variações do fluxo sanguíneo para detectar a activação cerebral, explorando a interacção fundamental entre as actividades vasculares e neuronais do cérebro. Quaisquer alterações neste chamado acoplamento neurovascular estão fortemente ligadas à disfunção cerebral. A capacidade de visualizar a microcirculação cerebral é particularmente importante, uma vez que doenças neurodegenerativas, como a demência e a doença de Alzheimer, envolvem disfunção dos pequenos vasos cerebrais.
Pesquisadores em Instituto de Física para Medicina de Paris (Inserm/ESPCI Universidade PSL/CNRS) desenvolveram agora um método chamado microscopia funcional de localização por ultrassom (fULM) que pode capturar a atividade cerebral na escala de mícron. A equipe publicou as primeiras imagens em escala micrométrica do cérebro inteiro da atividade vascular de roedores em Nature Methods, juntamente com uma explicação detalhada dos procedimentos de aquisição e análise de imagens fULM.
Ao contrário das abordagens eletrofisiológicas ou ópticas invasivas para estudar a função cerebral em escala microscópica, a microscopia de localização por ultrassom (ULM) pode ser não invasiva. A tecnologia de imagem rastreia microbolhas biocompatíveis do tamanho de mícrons injetadas na circulação sanguínea e, ao acumular os rastros de milhões de microbolhas, as imagens reconstruídas podem revelar mudanças sutis no volume sanguíneo cerebral com precisão do tamanho de mícrons, em grandes campos de visão.
Os pesquisadores já usaram o ULM para revelar a anatomia microvascular em escala cerebral total em roedores e humanos. A resolução espacial do ULM é 16 vezes melhor do que a obtida com ultrassonografia funcional. Mas como o processo de aquisição é lento, o ULM só consegue produzir mapas estáticos do fluxo sanguíneo induzido pela atividade neuronal.
A técnica fULM supera essa limitação. Além de gerar imagens da microvasculatura cerebral, a técnica detecta a ativação cerebral local calculando o número e a velocidade das microbolhas que passam em cada vaso. Quando uma região do cérebro é ativada, o acoplamento neurovascular faz com que o volume sanguíneo aumente localmente, dilatando os vasos e permitindo a passagem de mais microbolhas. O fULM fornece estimativas locais de vários parâmetros que caracterizam essa dinâmica vascular, incluindo fluxo de microbolhas, velocidade e diâmetros dos vasos.
De acordo com o investigador principal Mickael Tanter e colegas, a integração do fULM em um scanner de ultrassom econômico e fácil de usar fornece “uma visão quantitativa da rede microcirculatória cerebral e suas alterações hemodinâmicas, combinando uma extensão espacial de todo o cérebro com uma resolução microscópica e uma resolução temporal de 1 s compatível com imagens neurofuncionais”.
Na Vivo caso
Para demonstrar o conceito fULM, os pesquisadores primeiro criaram imagens de ratos de laboratório com ultrassom funcional (sem contraste), seguido de ULM no mesmo plano de imagem. Eles combinaram estímulos sensoriais (deflexões dos bigodes ou estimulação visual) em ratos anestesiados com injeção contínua de microbolhas. Para ULM, os ratos receberam uma injeção lenta e contínua de microbolhas durante uma sessão de imagem de 20 minutos, levando a aproximadamente 30 microbolhas por quadro de ultrassom.
Durante o processamento do ULM, os pesquisadores salvaram cada trilha com cada posição da microbolha e sua respectiva posição no tempo. Eles construíram imagens ULM selecionando um tamanho de pixel e classificando cada microbolha dentro de cada pixel. Apenas pixels com pelo menos cinco detecções diferentes de microbolhas durante o tempo total de aquisição foram utilizados para análises.
A técnica permitiu aos pesquisadores mapear a hiperemia funcional (aumento de sangue nos vasos) em áreas corticais e subcorticais com resolução de 6.5 µm. Eles quantificaram as respostas hemodinâmicas temporais durante estimulações de bigodes em quatro ratos e durante estimulações visuais em três ratos, medindo o fluxo e a velocidade das microbolhas.
A equipe quantificou o envolvimento dos vasos sanguíneos durante a hiperemia funcional. Eles observaram aumentos na contagem, velocidade e diâmetro de microbolhas para uma arteríola e vênula representativas (artérias/veias muito pequenas que entram/saem dos capilares), observando que os animais de controle não exibiram quaisquer alterações. Eles também introduziram um “índice de perfusão” e “área de drenagem” para quantificar ainda mais o envolvimento de cada vaso sanguíneo individual. Estes aumentaram 28% e 54% durante a estimulação da arteríola e da vênula, respectivamente.
Devido ao grande campo de visão, os pesquisadores puderam realizar análises quantitativas simultaneamente para cada vaso em toda a imagem da fatia do cérebro do rato, mesmo em estruturas profundas como o tálamo para estímulos de bigodes e colículo superior para estímulos visuais.
“A resolução espaço-temporal alcançada permite que o fULM obtenha imagens de diferentes compartimentos vasculares em todo o cérebro e discrimine suas respectivas contribuições, em particular nas arteríolas pré-capilares conhecidas por terem uma contribuição importante para as alterações vasculares durante as atividades neuronais”, escrevem os autores.
Ultra-som ultrarrápido mapeia minúsculos vasos sanguíneos profundos no cérebro humano
Eles acrescentam: “o fULM mostra que o aumento relativo no fluxo de microbolhas é maior nos vasos intraparenquimatosos do que nas arteríolas. O fULM também confirma características dependentes da profundidade para o fluxo sanguíneo e velocidade nas arteríolas penetrantes no início do estudo e destaca uma variação dependente da profundidade na velocidade do sangue durante a ativação. Ele também quantifica grandes aumentos no fluxo de microbolhas, na velocidade do sangue e no diâmetro das vênulas durante a ativação.”
Como uma nova ferramenta de pesquisa de imagens, o fULM fornece uma maneira de rastrear mudanças dinâmicas durante a ativação cerebral e oferecerá insights sobre os circuitos cerebrais neurais. Ajudará no estudo da conectividade funcional, atividade cortical específica da camada e/ou alterações no acoplamento neurovascular em escala cerebral.
Tanter observa que pesquisadores do Instituto de Física de Medicina estão colaborando com a empresa de tecnologia médica sediada em Paris Ícone, para disponibilizar esta tecnologia para a comunidade neurocientífica e para imagens clínicas muito rapidamente.
