เทคนิคอัลตราซาวด์จับภาพการทำงานของสมองในระดับไมครอน

การสร้างภาพประสาทได้เพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของสมอง เทคนิคดังกล่าวมักเกี่ยวข้องกับการวัดความแปรผันของการไหลเวียนของเลือดเพื่อตรวจจับการกระตุ้นของสมอง โดยใช้ประโยชน์จากปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างกิจกรรมหลอดเลือดและเส้นประสาทของสมอง การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในสิ่งที่เรียกว่าการมีเพศสัมพันธ์ของหลอดเลือดมีความเชื่อมโยงอย่างมากกับความผิดปกติของสมอง ความสามารถในการถ่ายภาพจุลภาคในสมองมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากโรคทางระบบประสาท เช่น โรคสมองเสื่อมและอัลไซเมอร์เกี่ยวข้องกับความผิดปกติของหลอดเลือดสมองขนาดเล็ก

นักวิจัยที่ สถาบันฟิสิกส์การแพทย์ปารีส (อินเซิร์ม/ESPCI PSL University/CNRS) ปัจจุบันได้พัฒนาวิธีการที่เรียกว่า Functional Ultrasound Localization Microncopy (fULM) ซึ่งสามารถจับการทำงานของสมองในระดับไมครอนได้ ทีมงานได้เผยแพร่ภาพสมองทั้งสมองขนาดไมครอนชุดแรกของกิจกรรมหลอดเลือดของสัตว์ฟันแทะ วิธีธรรมชาติพร้อมด้วยคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับขั้นตอนการวิเคราะห์และได้มาซึ่งภาพ fULM  

แตกต่างจากวิธีการทางอิเล็กโตรฟิสิกส์วิทยาหรือทางแสงแบบรุกรานเพื่อศึกษาการทำงานของสมองในระดับจุลทรรศน์ กล้องจุลทรรศน์อัลตราซาวนด์เฉพาะที่ (ULM) อาจไม่รุกราน เทคโนโลยีการถ่ายภาพจะติดตามไมโครบับเบิลขนาดไมครอนที่เข้ากันได้ทางชีวภาพที่ถูกฉีดเข้าไปในการไหลเวียนโลหิต และโดยการสะสมรอยของไมโครบับเบิลนับล้าน ภาพที่สร้างขึ้นใหม่สามารถเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของปริมาตรเลือดในสมองด้วยความแม่นยำขนาดไมครอนในขอบเขตการมองเห็นขนาดใหญ่

ก่อนหน้านี้ นักวิจัยเคยใช้ ULM เพื่อเปิดเผยกายวิภาคของหลอดเลือดขนาดเล็กในระดับสมองทั้งของสัตว์ฟันแทะและในมนุษย์ ความละเอียดเชิงพื้นที่ของ ULM นั้นดีกว่าการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์เชิงฟังก์ชันถึง 16 เท่า แต่เนื่องจากกระบวนการได้มานั้นช้า ULM จึงสามารถสร้างแผนที่การไหลเวียนของเลือดแบบคงที่ที่เกิดจากการทำงานของเซลล์ประสาทเท่านั้น

เทคนิค fULM เอาชนะข้อจำกัดนี้ นอกเหนือจากการถ่ายภาพหลอดเลือดขนาดเล็กในสมองแล้ว เทคนิคนี้ยังตรวจจับการกระตุ้นของสมองในท้องถิ่นด้วยการคำนวณจำนวนและความเร็วของไมโครบับเบิลที่ไหลผ่านในแต่ละหลอดเลือด เมื่อบริเวณสมองทำงาน การมีเพศสัมพันธ์ของระบบประสาทจะทำให้ปริมาตรของเลือดเพิ่มขึ้นเฉพาะที่ ขยายหลอดเลือดและปล่อยให้ไมโครบับเบิ้ลผ่านไปได้มากขึ้น fULM ให้การประมาณค่าพารามิเตอร์หลายตัวในท้องถิ่นที่แสดงลักษณะเฉพาะของไดนามิกของหลอดเลือด รวมถึงการไหลของไมโครบับเบิล ความเร็ว และเส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดเลือด

ตามคำบอกเล่าของนักสืบหลัก มิคาเอล แทนเตอร์ และเพื่อนร่วมงาน การบูรณาการ fULM เข้ากับเครื่องสแกนอัลตราซาวนด์ที่ประหยัดต้นทุนและใช้งานง่าย ช่วยให้ “การดูเชิงปริมาณที่เครือข่ายจุลภาคในสมองและการเปลี่ยนแปลงทางโลหิตวิทยาโดยการรวมขอบเขตเชิงพื้นที่ทั่วทั้งสมองเข้ากับความละเอียดระดับจุลทรรศน์และความละเอียดชั่วขณะ 1 วินาที เข้ากันได้กับการถ่ายภาพระบบประสาท”

ในร่างกาย การศึกษา

เพื่อสาธิตแนวคิด fULM นักวิจัยได้ถ่ายภาพหนูทดลองด้วยอัลตราซาวนด์เชิงฟังก์ชัน (โดยไม่มีคอนทราสต์) ก่อน ตามด้วย ULM ในระนาบการถ่ายภาพเดียวกัน พวกเขารวมการกระตุ้นทางประสาทสัมผัส (การโก่งตัวของหนวดหรือการกระตุ้นการมองเห็น) ในหนูที่ได้รับยาสลบด้วยการฉีดไมโครบับเบิลอย่างต่อเนื่อง สำหรับ ULM หนูได้รับการฉีดไมโครบับเบิลอย่างช้าๆ อย่างต่อเนื่องในระหว่างเซสชั่นการถ่ายภาพ 20 นาที ซึ่งนำไปสู่ประมาณ 30 ไมโครบับเบิลต่อเฟรมอัลตราซาวนด์

ในระหว่างการประมวลผล ULM นักวิจัยได้บันทึกทุกแทร็กด้วยตำแหน่งไมโครบับเบิลแต่ละตำแหน่งและตำแหน่งเวลาตามลำดับ พวกเขาสร้างภาพ ULM โดยเลือกขนาดพิกเซลและจัดเรียงไมโครบับเบิลแต่ละอันภายในแต่ละพิกเซล มีเพียงพิกเซลที่มีการตรวจจับไมโครบับเบิ้ลที่แตกต่างกันอย่างน้อยห้าแบบในช่วงเวลาที่ได้รับทั้งหมดเท่านั้นที่ถูกใช้สำหรับการวิเคราะห์

เทคนิคนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถแมปภาวะโลหิตจางจากการทำงาน (เลือดที่เพิ่มขึ้นในหลอดเลือด) ในบริเวณเปลือกนอกและใต้เปลือกสมองด้วยความละเอียด 6.5 µm พวกเขาวัดปริมาณการตอบสนองทางโลหิตวิทยาชั่วคราวในระหว่างการกระตุ้นหนวดแมวสำหรับหนู XNUMX ตัว และระหว่างการกระตุ้นการมองเห็นสำหรับหนู XNUMX ตัว โดยการวัดฟลักซ์และความเร็วของฟองสบู่ขนาดเล็ก

ทีมงานได้วัดปริมาณการมีส่วนร่วมของหลอดเลือดในระหว่างภาวะเลือดคั่งในเลือดสูง พวกเขาสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของจำนวนไมโครบับเบิล ความเร็ว และเส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำที่เป็นตัวแทน (หลอดเลือดแดง/หลอดเลือดดำขนาดเล็กมากที่เข้า/ออกจากเส้นเลือดฝอย) โดยสังเกตว่าสัตว์ควบคุมไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ พวกเขายังได้แนะนำ "การกำซาบ" และ "ดัชนีพื้นที่ระบายน้ำ" เพื่อระบุปริมาณการมีส่วนร่วมของหลอดเลือดแต่ละส่วนเพิ่มเติม สิ่งเหล่านี้เพิ่มขึ้น 28% และ 54% ในระหว่างการกระตุ้นหลอดเลือดแดงและหลอดเลือดดำตามลำดับ

เนื่องจากขอบเขตการมองเห็นที่กว้าง นักวิจัยจึงสามารถทำการวิเคราะห์เชิงปริมาณพร้อมกันสำหรับหลอดเลือดทุกลำทั่วทั้งภาพชิ้นสมองของหนู แม้แต่ในโครงสร้างที่ลึก เช่น ฐานดอกสำหรับการกระตุ้นหนวดเครา และคอลลิคิวลัสที่เหนือกว่าสำหรับการกระตุ้นการมองเห็น

ผู้เขียนเขียนว่า "ความละเอียดของ spatiotemporal ที่ประสบความสำเร็จช่วยให้ fULM ถ่ายภาพส่วนต่างๆ ของหลอดเลือดในสมองทั้งหมดได้ และแยกแยะการมีส่วนร่วมของหลอดเลือดเหล่านั้น โดยเฉพาะในหลอดเลือดแดง precapillary ที่ทราบกันว่ามีส่วนสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงของหลอดเลือดในระหว่างการทำงานของเซลล์ประสาท" ผู้เขียนเขียน

พวกเขากล่าวเสริมว่า “fULM แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขึ้นของการไหลของไมโครบับเบิ้ลโดยสัมพันธ์กันนั้นมีมากกว่าในหลอดเลือดภายในเนื้อเยื่อมากกว่าในหลอดเลือดแดง fULM ยังยืนยันลักษณะเฉพาะที่ขึ้นกับความลึกสำหรับการไหลเวียนของเลือดและความเร็วในการเจาะหลอดเลือดแดงที่การตรวจวัดพื้นฐาน และเน้นย้ำถึงการเปลี่ยนแปลงที่ขึ้นกับความลึกของความเร็วของเลือดในระหว่างการกระตุ้น นอกจากนี้ยังวัดปริมาณฟลักซ์ไมโครบับเบิล ความเร็วของเลือด และเส้นผ่านศูนย์กลางในหลอดเลือดดำที่เพิ่มขึ้นอย่างมากระหว่างการกระตุ้น”

ในฐานะเครื่องมือวิจัยด้านภาพแบบใหม่ fULM มอบวิธีการติดตามการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกระหว่างการกระตุ้นสมอง และจะให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวงจรประสาทสมอง โดยจะช่วยในการศึกษาการเชื่อมต่อการทำงาน กิจกรรมของเยื่อหุ้มสมองเฉพาะชั้น และหรือการเปลี่ยนแปลงการเชื่อมต่อของหลอดเลือดและประสาทในระดับสมอง

Tanter ตั้งข้อสังเกตว่านักวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์เพื่อการแพทย์กำลังร่วมมือกับบริษัทเทคโนโลยีทางการแพทย์ในปารีส อิโคเนียสเพื่อให้เทคโนโลยีนี้พร้อมใช้งานสำหรับชุมชนประสาทวิทยาศาสตร์และสำหรับการถ่ายภาพทางคลินิกอย่างรวดเร็ว