Neuroimaging har ökat vår förståelse av hjärnans funktion. Sådana tekniker involverar ofta mätning av blodflödesvariationer för att upptäcka hjärnaktivering, och utnyttjar den grundläggande interaktionen mellan hjärnans vaskulära och neuronala aktiviteter. Eventuella förändringar i denna så kallade neurovaskulära koppling är starkt kopplade till cerebral dysfunktion. Förmågan att avbilda cerebral mikrocirkulation är särskilt viktig, eftersom neurodegenerativa sjukdomar som demens och Alzheimers innebär dysfunktion av de små hjärnkärlen.
Forskare på Institutet för fysik för medicin Paris (Inserm/ESPCI PSL University/CNRS) har nu utvecklat en metod som kallas funktionell ultraljudslokaliseringsmikroskopi (fULM) som kan fånga hjärnaktivitet på mikronskala. Teamet publicerade de första bilderna i mikronskala av hela hjärnan av vaskulär aktivitet hos gnagare Naturmetoder, tillsammans med en detaljerad förklaring av FULM bildinsamling och analysprocedurer.
Till skillnad från invasiva elektrofysiologiska eller optiska metoder för att studera hjärnans funktion i mikroskopisk skala, kan ultraljudslokaliseringsmikroskopi (ULM) vara icke-invasiv. Bildtekniken spårar biokompatibla mikrobubblor i mikronstorlek som injiceras i blodcirkulationen och genom att ackumulera spåren från miljontals mikrobubblor kan rekonstruerade bilder avslöja subtila förändringar i hjärnblodvolymen med mikronstorlek, över stora synfält.
Forskare har tidigare använt ULM för att avslöja mikrovaskulär anatomi i hela hjärnan hos gnagare och människor. Den rumsliga upplösningen för ULM är 16 gånger bättre än den som uppnås med funktionell ultraljudsavbildning. Men eftersom förvärvsprocessen är långsam, kan ULM endast producera statiska kartor över blodflödet som induceras av neuronaktiviteten.
FULM-tekniken övervinner denna begränsning. Förutom att avbilda hjärnans mikrovaskulatur, upptäcker tekniken lokal hjärnaktivering genom att beräkna antalet och hastigheten på mikrobubblor som passerar i varje kärl. När en hjärnregion aktiveras gör neurovaskulär koppling att blodvolymen ökar lokalt, vilket vidgar kärlen och låter fler mikrobubblor passera. fULM tillhandahåller lokala uppskattningar av flera parametrar som kännetecknar sådan vaskulär dynamik, inklusive mikrobubblflöde, hastighet och kärldiametrar.
Enligt chefsutredare Mickael Tanter och kollegor, genom att integrera FULM i en kostnadseffektiv, lättanvänd ultraljudsskanner ger "en kvantitativ titt på det cerebrala mikrocirkulationsnätverket och dess hemodynamiska förändringar genom att kombinera en hjärnomfattande rumslig utsträckning med en mikroskopisk upplösning och en 1 s tidsupplösning kompatibel med neurofunktionell bildbehandling”.
In vivo studier
För att demonstrera fULM-konceptet avbildade forskarna först laboratorieråttor med funktionellt ultraljud (utan kontrast), följt av ULM i samma bildplan. De kombinerade sensoriska stimuleringar (böjningar av morrhår eller visuell stimulering) hos sövda råttor med kontinuerlig mikrobubblinjektion. För ULM fick råttorna en kontinuerlig långsam injektion av mikrobubblor under en 20 minuters avbildningssession, vilket ledde till ungefär 30 mikrobubblor per ultraljudsram.
Under ULM-bearbetning sparade forskarna varje spår med varje mikrobubblaposition och dess respektive tidsposition. De konstruerade ULM-bilder genom att välja en pixelstorlek och sortera varje mikrobubbla inom varje pixel. Endast pixlar med minst fem olika mikrobubblesdetektioner under den totala insamlingstiden användes för analyser.
Tekniken gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga funktionell hyperemi (ökat blod i kärlen) i både kortikala och subkortikala områden med 6.5 µm upplösning. De kvantifierade de temporala hemodynamiska svaren under morrhårstimuleringar för fyra råttor och under visuella stimuleringar för tre råttor, genom att mäta mikrobubblornas flöde och hastighet.
Teamet kvantifierade inblandningen av blodkärl under funktionell hyperemi. De observerade ökningar av antalet mikrobubblor, hastighet och diameter för en representativ arteriol och venul (mycket små artärer/vener som leder in i/ut ur kapillärerna), och noterade att kontrolldjuren inte uppvisade några förändringar. De introducerade också en "perfusion" och "dränageområdesindex" för att ytterligare kvantifiera involveringen av varje enskilt blodkärl. Dessa ökade med 28 % och 54 % under stimulering för arteriolen respektive venulen.
På grund av det stora synfältet kunde forskarna utföra kvantitativa analyser samtidigt för varje kärl över hela råtthjärnans skivabild, även i djupa strukturer som thalamus för morrhårstimulering och superior colliculus för visuell stimulering.
"Den uppnådda spatiotemporala upplösningen gör det möjligt för FULM att avbilda olika vaskulära avdelningar i hela hjärnan och att särskilja deras respektive bidrag, särskilt i de prekapillära arteriolerna som är kända för att ha ett stort bidrag till vaskulära förändringar under neuronala aktiviteter", skriver författarna.
Ultrasnabbt ultraljud kartlägger små blodkärl djupt i den mänskliga hjärnan
De tillägger: "fULM visar att den relativa ökningen av mikrobubblflödet är större i intraparenkymala kärl snarare än i arterioler. fULM bekräftar också djupberoende egenskaper för blodflöde och hastighet i penetrerande arterioler vid baslinjen, och framhäver en djupberoende variation i blodhastighet under aktivering. Det kvantifierar också stora ökningar av mikrobubblflöde, blodhastighet och diameter i venoler under aktivering."
Som ett nytt bildforskningsverktyg ger fULM ett sätt att spåra dynamiska förändringar under hjärnaktivering och kommer att erbjuda insikter i neurala hjärnkretsar. Det kommer att underlätta studiet av funktionell anslutning, lagerspecifik kortikal aktivitet och eller neurovaskulära kopplingsförändringar på en hjärnomfattande skala.
Tanter konstaterar att forskare vid Institute Physics for Medicine samarbetar med det Paris-baserade medicinteknikföretaget Iconeus, för att göra denna teknik tillgänglig för det neurovetenskapliga samhället och för klinisk avbildning mycket snabbt.
