Нейровізуалізація покращила наше розуміння функції мозку. Такі методи часто включають вимірювання змін кровотоку для виявлення активації мозку, використовуючи фундаментальну взаємодію між судинною та нейронною активністю мозку. Будь-які зміни в цьому так званому нервово-судинному з’єднанні тісно пов’язані з церебральною дисфункцією. Здатність відобразити церебральну мікроциркуляцію особливо важлива, оскільки нейродегенеративні захворювання, такі як деменція та хвороба Альцгеймера, включають дисфункцію дрібних церебральних судин.
Дослідники в Інститут фізики для медицини в Парижі (Inserm/ESPCI PSL University/CNRS) розробили метод під назвою функціональна ультразвукова локалізаційна мікроскопія (fULM), який може фіксувати церебральну активність у мікронному масштабі. Команда опублікувала перші мікронні зображення активності судин гризунів у всьому мозку Методи природи, разом із детальним поясненням процедур отримання та аналізу зображень fULM.
На відміну від інвазивних електрофізіологічних або оптичних підходів до вивчення функції мозку в мікроскопічному масштабі, ультразвукова локалізаційна мікроскопія (ULM) може бути неінвазивною. Технологія візуалізації відстежує біосумісні мікропухирці мікронного розміру, що вводяться в кровообіг, і завдяки накопиченню слідів мільйонів мікробульбашок реконструйовані зображення можуть виявити тонкі зміни об’єму церебральної крові з мікронною точністю у великих полях зору.
Дослідники раніше використовували ULM для виявлення мікросудинної анатомії в масштабі всього мозку у гризунів і людей. Просторова роздільна здатність ULM у 16 разів краща, ніж досягнута за допомогою функціонального ультразвукового зображення. Але оскільки процес отримання повільний, ULM може створити лише статичні карти кровотоку, викликаного активністю нейронів.
Техніка fULM долає це обмеження. На додаток до візуалізації мікроциркуляторного русла головного мозку, метод виявляє локальну активацію мозку шляхом обчислення кількості та швидкості мікробульбашок, що проходять у кожній судині. Коли область мозку активується, нервово-судинний зв’язок спричиняє локальне збільшення об’єму крові, розширюючи судини та пропускаючи більше мікробульбашок. fULM забезпечує локальні оцінки багатьох параметрів, які характеризують таку судинну динаміку, включаючи потік мікропухирців, швидкість і діаметри судин.
За словами головного дослідника Мікаель Тантер та його колеги, інтегруючи fULM у економічний, простий у використанні ультразвуковий сканер, забезпечує «кількісний погляд на церебральну мікроциркуляторну мережу та її гемодинамічні зміни шляхом поєднання просторового охоплення всього мозку з мікроскопічною роздільною здатністю та тимчасовою роздільною здатністю 1 с сумісний із нейрофункціональною візуалізацією».
В природних умовах Дослідження
Щоб продемонструвати концепцію fULM, дослідники спочатку зробили зображення лабораторних щурів за допомогою функціонального ультразвуку (без контрасту), а потім ULM у тій самій площині зображення. Вони поєднали сенсорну стимуляцію (відхилення вусів або зорову стимуляцію) у анестезованих щурів із безперервною ін’єкцією мікропухирців. Для ULM щури отримували безперервну повільну ін’єкцію мікробульбашок протягом 20-хвилинного сеансу візуалізації, що призвело до приблизно 30 мікробульбашок на ультразвуковий кадр.
Під час обробки ULM дослідники зберегли кожну доріжку з кожною позицією мікробульбашки та її відповідною часовою позицією. Вони побудували ULM-зображення, вибравши розмір пікселів і сортуючи кожну мікробульбашку в кожному пікселі. Для аналізу використовували лише пікселі з принаймні п’ятьма різними виявленнями мікропухирців протягом загального часу збору.
Техніка дозволила дослідникам нанести на карту функціональну гіперемію (збільшення крові в судинах) як у кортикальних, так і в підкіркових областях з роздільною здатністю 6.5 мкм. Вони кількісно визначили часові гемодинамічні реакції під час стимуляції вусів для чотирьох щурів і під час візуальної стимуляції для трьох щурів, вимірявши потік і швидкість мікропухирців.
Команда кількісно визначила залучення кровоносних судин під час функціональної гіперемії. Вони спостерігали збільшення кількості, швидкості та діаметра мікропухирців для репрезентативних артеріол і венул (дуже маленьких артерій/вен, що ведуть до/з капілярів), зазначивши, що контрольні тварини не демонстрували жодних змін. Вони також запровадили «індекс перфузії» та «індекс площі дренажу» для подальшої кількісної оцінки залучення кожної окремої кровоносної судини. Вони зросли на 28% і 54% під час стимуляції артеріол і венул відповідно.
Завдяки великому полю зору дослідники могли виконувати кількісні аналізи одночасно для кожної судини на всьому зображенні зрізу мозку щура, навіть у глибоких структурах, таких як таламус для стимуляції вусів і верхній горбок для візуальної стимуляції.
«Досягнута просторово-часова роздільна здатність дозволяє fULM відображати різні судинні відділи в усьому мозку та розрізняти їхні відповідні внески, зокрема в прекапілярних артеріолах, які, як відомо, мають великий внесок у судинні зміни під час активності нейронів», — пишуть автори.
Надшвидкий ультразвук відображає крихітні кровоносні судини в глибині людського мозку
Вони додають: «fULM показує, що відносне збільшення потоку мікробульбашок більше у внутрішньопаренхіматозних судинах, а не в артеріолах. fULM також підтверджує залежні від глибини характеристики кровотоку та швидкості в проникаючих артеріолах на початковому рівні та підкреслює залежну від глибини зміну швидкості крові під час активації. Він також кількісно визначає значне збільшення потоку мікробульбашок, швидкості крові та діаметра венул під час активації».
Будучи новим інструментом дослідження зображень, fULM забезпечує спосіб відстеження динамічних змін під час активації мозку та запропонує розуміння нейронних ланцюгів мозку. Це допоможе у вивченні функціонального зв’язку, шарово-специфічної коркової активності та/або змін нервово-судинного зв’язку в масштабі всього мозку.
Тантер зазначає, що дослідники Інституту фізики для медицини співпрацюють із паризькою компанією з медичних технологій Іконей, щоб дуже швидко зробити цю технологію доступною для спільноти нейронаук і для клінічної візуалізації.
