Нейровизуализация расширила наше понимание функций мозга. Такие методы часто включают измерение изменений кровотока для обнаружения активации мозга, используя фундаментальное взаимодействие между активностью сосудов и нейронов мозга. Любые изменения в этой так называемой нейроваскулярной связи тесно связаны с церебральной дисфункцией. Возможность визуализации мозговой микроциркуляции особенно важна, поскольку нейродегенеративные заболевания, такие как деменция и болезнь Альцгеймера, связаны с дисфункцией мелких сосудов головного мозга.
Исследователи Институт физики для медицины Париж (Inserm/ESPCI Университет PSL/CNRS) разработали метод под названием функциональная ультразвуковая локализационная микроскопия (fULM), который может фиксировать церебральную активность в микронном масштабе. Команда опубликовала первые в микронном масштабе изображения активности сосудов всего мозга грызунов в Методы природы, а также подробное объяснение процедур получения и анализа изображений fULM.
В отличие от инвазивных электрофизиологических или оптических подходов к изучению функции мозга в микроскопическом масштабе ультразвуковая локализационная микроскопия (УЛМ) может быть неинвазивной. Технология визуализации отслеживает биосовместимые микропузырьки микронного размера, введенные в кровоток, и, накапливая следы миллионов микропузырьков, реконструированные изображения могут выявлять тонкие изменения в объеме церебральной крови с точностью до микрона в больших полях зрения.
Исследователи ранее использовали УЛМ для выявления анатомии микрососудов в масштабе всего мозга у грызунов и людей. Пространственное разрешение УЛМ в 16 раз лучше, чем при функциональной ультразвуковой визуализации. Но поскольку процесс сбора данных медленный, УЛМ может создавать только статические карты кровотока, вызванные активностью нейронов.
Техника fULM преодолевает это ограничение. В дополнение к визуализации микрососудов головного мозга этот метод обнаруживает локальную активацию мозга путем подсчета количества и скорости микропузырьков, проходящих в каждом сосуде. Когда область мозга активируется, нервно-сосудистая связь вызывает локальное увеличение объема крови, расширяя сосуды и позволяя проходить большему количеству микропузырьков. fULM обеспечивает локальные оценки нескольких параметров, которые характеризуют такую сосудистую динамику, включая поток микропузырьков, скорость и диаметры сосудов.
По словам главного исследователя Микаэль Тантер и коллеги, интеграция fULM в недорогой и простой в использовании ультразвуковой сканер обеспечивает «количественный взгляд на церебральную микроциркуляторную сеть и ее гемодинамические изменения, сочетая пространственную протяженность всего мозга с микроскопическим разрешением и временным разрешением 1 с». совместимый с нейрофункциональной визуализацией».
в естественных условиях исследования
Чтобы продемонстрировать концепцию fULM, исследователи сначала визуализировали лабораторных крыс с помощью функционального ультразвука (без контраста), а затем с помощью ULM в той же плоскости изображения. Они сочетали сенсорную стимуляцию (отклонение усов или визуальную стимуляцию) у анестезированных крыс с непрерывной инъекцией микропузырьков. Для ULM крысам непрерывно медленно вводили микропузырьки в течение 20-минутного сеанса визуализации, что приводило к примерно 30 микропузырькам на ультразвуковой кадр.
Во время обработки ULM исследователи сохраняли каждый трек с положением каждого микропузырька и соответствующим временным положением. Они построили изображения ULM, выбрав размер пикселя и отсортировав каждый микропузырьк в каждом пикселе. Для анализа использовались только пиксели с не менее чем пятью различными обнаружениями микропузырьков в течение всего времени сбора данных.
Этот метод позволил исследователям картировать функциональную гиперемию (увеличение крови в сосудах) как в корковых, так и в подкорковых областях с разрешением 6.5 мкм. Они количественно оценили временные гемодинамические реакции во время стимуляции усов у четырех крыс и во время зрительной стимуляции у трех крыс путем измерения потока и скорости микропузырьков.
Команда количественно оценила участие кровеносных сосудов во время функциональной гиперемии. Они наблюдали увеличение количества, скорости и диаметра микропузырьков для репрезентативных артериол и венул (очень маленьких артерий/вен, ведущих в/из капилляров), отметив, что у контрольных животных не было никаких изменений. Они также ввели «перфузию» и «индекс площади дренирования» для дальнейшей количественной оценки участия каждого отдельного кровеносного сосуда. Они увеличились на 28% и 54% при стимуляции артериол и венул соответственно.
Благодаря большому полю зрения исследователи могли проводить количественный анализ одновременно для каждого сосуда на всем изображении среза мозга крысы, даже в глубоких структурах, таких как таламус для стимуляции усов и верхнее двухолмие для зрительной стимуляции.
«Достигнутое пространственно-временное разрешение позволяет fULM визуализировать различные сосудистые отделы во всем мозге и различать их соответствующие вклады, в частности, в прекапиллярных артериолах, которые, как известно, вносят основной вклад в сосудистые изменения во время активности нейронов», — пишут авторы.
Сверхбыстрое ультразвуковое исследование картирует крошечные кровеносные сосуды глубоко в мозгу человека
Они добавляют: «fULM показывает, что относительное увеличение потока микропузырьков больше во внутрипаренхиматозных сосудах, чем в артериолах. fULM также подтверждает зависящие от глубины характеристики кровотока и скорости в проникающих артериолах на исходном уровне и подчеркивает зависимые от глубины изменения скорости кровотока во время активации. Он также количественно определяет значительное увеличение потока микропузырьков, скорости кровотока и диаметра венул во время активации».
Как новый инструмент исследования изображений, fULM позволяет отслеживать динамические изменения во время активации мозга и дает представление о нейронных цепях мозга. Это поможет изучить функциональную связность, специфическую для слоев корковую активность и / или изменения нервно-сосудистых связей в масштабе всего мозга.
Тантер отмечает, что исследователи из Института физики медицины сотрудничают с базирующейся в Париже компанией по производству медицинских технологий. Иконей, чтобы очень быстро сделать эту технологию доступной для сообщества нейробиологов и для клинической визуализации.
