Nevroslikanje je povečalo naše razumevanje delovanja možganov. Takšne tehnike pogosto vključujejo merjenje variacij krvnega pretoka za odkrivanje možganske aktivacije, pri čemer izkoriščajo temeljno interakcijo med žilnimi in nevronskimi aktivnostmi možganov. Vse spremembe v tej tako imenovani nevrovaskularni sklopki so močno povezane s cerebralno disfunkcijo. Sposobnost slikanja možganske mikrocirkulacije je še posebej pomembna, saj nevrodegenerativne bolezni, kot sta demenca in Alzheimerjeva bolezen, vključujejo disfunkcijo majhnih možganskih žil.
Raziskovalci v Ljubljani Medicinski inštitut za fiziko v Parizu (Univerza Inserm/ESPCI PSL/CNRS) so zdaj razvili metodo, imenovano funkcionalna ultrazvočna lokalizacijska mikroskopija (fULM), ki lahko zajame cerebralno aktivnost na mikronski lestvici. Ekipa je objavila prve mikronske slike vaskularne aktivnosti glodalcev v celih možganih Naravne metode, skupaj s podrobno razlago postopkov pridobivanja in analize slike fULM.
Za razliko od invazivnih elektrofizioloških ali optičnih pristopov za preučevanje delovanja možganov na mikroskopskem merilu je ultrazvočna lokalizacijska mikroskopija (ULM) lahko neinvazivna. Tehnologija slikanja spremlja biokompatibilne mikromehurčke velikosti mikronov, vbrizgane v krvni obtok, in s kopičenjem sledi milijonov mikromehurčkov lahko rekonstruirane slike razkrijejo subtilne spremembe volumna možganske krvi z mikronsko natančnostjo v širokem vidnem polju.
Raziskovalci so že prej uporabljali ULM, da bi razkrili mikrovaskularno anatomijo na ravni celih možganov pri glodavcih in ljudeh. Prostorska ločljivost ULM je 16-krat boljša od tiste, ki jo dosežemo s funkcionalnim ultrazvočnim slikanjem. Toda ker je postopek pridobivanja počasen, lahko ULM ustvari samo statične zemljevide krvnega pretoka, ki ga povzroča nevronska aktivnost.
Tehnika fULM premaga to omejitev. Poleg slikanja možganske mikrovaskulature tehnika zazna lokalno možgansko aktivacijo z izračunom števila in hitrosti mikromehurčkov, ki prehajajo v vsaki žili. Ko se možganska regija aktivira, nevrovaskularna sklopka povzroči lokalno povečanje volumna krvi, razširitev žil in omogoča prehajanje več mikromehurčkov. fULM zagotavlja lokalne ocene več parametrov, ki označujejo takšno vaskularno dinamiko, vključno s pretokom mikromehurčkov, hitrostjo in premeri žil.
Po mnenju glavnega raziskovalca Mickael Tanter in sodelavci, integracija fULM v stroškovno učinkovit ultrazvočni skener, enostaven za uporabo, zagotavlja »kvantitativni pogled na cerebralno mikrocirkulacijsko mrežo in njene hemodinamične spremembe s kombinacijo prostorskega obsega možganov z mikroskopsko ločljivostjo in časovno ločljivostjo 1 s združljiv z nevrofunkcionalnim slikanjem«.
In vivo Študije
Da bi prikazali koncept fULM, so raziskovalci najprej slikali laboratorijske podgane s funkcionalnim ultrazvokom (brez kontrasta), čemur je sledil ULM v isti ravnini slikanja. Kombinirali so senzorične stimulacije (odklone brkov ali vizualno stimulacijo) pri anesteziranih podganah z neprekinjenim vbrizgavanjem mikromehurčkov. Za ULM so podgane prejele neprekinjeno počasno injekcijo mikromehurčkov med 20-minutno sejo slikanja, kar je vodilo do približno 30 mikromehurčkov na ultrazvočni okvir.
Med obdelavo ULM so raziskovalci shranili vsako skladbo z vsakim položajem mikromehurčkov in njegovim ustreznim časovnim položajem. Konstruirali so slike ULM tako, da so izbrali velikost slikovnih pik in razvrstili vsak mikromehurček znotraj vsake slikovne pike. Za analize so bile uporabljene samo slikovne pike z vsaj petimi različnimi zaznavami mikromehurčkov v celotnem času zajemanja.
Tehnika je raziskovalcem omogočila preslikavo funkcionalne hiperemije (povečane krvi v žilah) v kortikalnih in subkortikalnih področjih z ločljivostjo 6.5 µm. Kvantificirali so časovne hemodinamične odzive med stimulacijami brkov za štiri podgane in med vizualnimi stimulacijami za tri podgane z merjenjem pretoka in hitrosti mikromehurčkov.
Ekipa je kvantificirala vpletenost krvnih žil med funkcionalno hiperemijo. Opazili so povečanje števila mikromehurčkov, hitrosti in premera za reprezentativne arteriole in venule (zelo majhne arterije/vene, ki vodijo v/iz kapilar), pri čemer so ugotovili, da kontrolne živali niso pokazale nobenih sprememb. Uvedli so tudi "indeks perfuzije" in "indeks drenažnega območja", da bi dodatno kvantificirali prizadetost vsake posamezne krvne žile. Te so se med stimulacijo arteriole in venule povečale za 28 % oziroma 54 %.
Zaradi velikega vidnega polja so raziskovalci lahko izvajali kvantitativne analize hkrati za vsako žilo na celotni sliki rezine možganov podgane, tudi v globokih strukturah, kot je talamus za stimulacije brkov in zgornji kolikulus za vizualne stimulacije.
"Dosežena prostorsko-časovna ločljivost omogoča fULM slikanje različnih žilnih predelkov v celotnih možganih in razlikovanje njihovih prispevkov, zlasti v prekapilarnih arteriolah, za katere je znano, da pomembno prispevajo k žilnim spremembam med nevronskimi aktivnostmi," pišejo avtorji.
Ultrahitri ultrazvok preslika drobne krvne žile globoko v človeških možganih
Dodajajo: »fULM kaže, da je relativno povečanje pretoka mikromehurčkov večje v intraparenhimskih žilah kot v arteriolah. fULM prav tako potrjuje od globine odvisne značilnosti krvnega pretoka in hitrosti v prodirajočih arteriolah na začetku in poudarja od globine odvisno variacijo hitrosti krvi med aktivacijo. Kvantificira tudi velika povečanja pretoka mikromehurčkov, hitrosti krvi in premera v venulah med aktivacijo.«
Kot novo orodje za raziskovanje slik fULM ponuja način za sledenje dinamičnim spremembam med aktivacijo možganov in bo ponudil vpogled v nevronske možganske kroge. Pomagal bo pri preučevanju funkcionalne povezljivosti, kortikalne aktivnosti, specifične za plasti, in/ali sprememb nevrovaskularnega spajanja na ravni možganov.
Tanter ugotavlja, da raziskovalci na Inštitutu za fiziko za medicino sodelujejo s podjetjem za medicinsko tehnologijo s sedežem v Parizu. Iconeus, da bo ta tehnologija zelo hitro na voljo za nevroznanstveno skupnost in za klinično slikanje.
