Neuroimaging đã làm tăng sự hiểu biết của chúng ta về chức năng não. Các kỹ thuật như vậy thường liên quan đến việc đo các biến thể lưu lượng máu để phát hiện sự hoạt hóa của não, khai thác sự tương tác cơ bản giữa các hoạt động mạch máu và tế bào thần kinh của não. Bất kỳ thay đổi nào trong cái gọi là khớp nối mạch thần kinh này đều có liên quan chặt chẽ đến rối loạn chức năng não. Khả năng hình ảnh vi tuần hoàn não là đặc biệt quan trọng, vì các bệnh thoái hóa thần kinh như mất trí nhớ và Alzheimer liên quan đến rối loạn chức năng của các mạch máu não nhỏ.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Y học Paris (Inserm / ESPCI PSL University / CNRS) hiện đã phát triển một phương pháp gọi là kính hiển vi siêu âm định vị chức năng (FULM) có thể ghi lại hoạt động của não ở quy mô micro. Nhóm nghiên cứu đã công bố hình ảnh toàn bộ não, quy mô micrô đầu tiên về hoạt động mạch máu của loài gặm nhấm ở Phương pháp tự nhiên, cùng với giải thích chi tiết về quy trình thu nhận và phân tích hình ảnh FULM.
Không giống như các phương pháp tiếp cận điện sinh lý hoặc quang học xâm lấn để nghiên cứu chức năng não ở quy mô hiển vi, kính hiển vi khu trú siêu âm (ULM) có thể không xâm lấn. Công nghệ hình ảnh theo dõi các hạt nhỏ có kích thước micromet tương thích sinh học được tiêm vào tuần hoàn máu và bằng cách tích lũy các dấu vết của hàng triệu microbubble, hình ảnh được tái tạo có thể cho thấy những thay đổi tinh tế trong lượng máu não với độ chính xác cỡ micromet, trên các trường nhìn rộng lớn.
Các nhà nghiên cứu trước đây đã sử dụng ULM để khám phá giải phẫu vi mạch ở quy mô toàn bộ não ở loài gặm nhấm và người. Độ phân giải không gian của ULM tốt hơn 16 lần so với độ phân giải đạt được với hình ảnh siêu âm chức năng. Nhưng vì quá trình thu nhận diễn ra chậm, ULM chỉ có thể tạo ra các bản đồ tĩnh của dòng máu do hoạt động của tế bào thần kinh gây ra.
Kỹ thuật FULM khắc phục được hạn chế này. Ngoài việc tạo hình ảnh vi mạch não, kỹ thuật này còn phát hiện kích hoạt não cục bộ bằng cách tính toán số lượng và tốc độ của các viên bi nhỏ đi qua mỗi mạch. Khi một vùng não được kích hoạt, khớp nối mạch thần kinh làm cho lượng máu tăng cục bộ, làm giãn mạch và cho phép nhiều viên bi nhỏ đi qua. FULM cung cấp các ước tính cục bộ của nhiều thông số đặc trưng cho động lực mạch máu như vậy, bao gồm lưu lượng microbubble, tốc độ và đường kính mạch.
Theo điều tra viên chính Mickael tanter và các đồng nghiệp, tích hợp FULM vào một máy quét siêu âm dễ sử dụng, tiết kiệm chi phí cung cấp “cái nhìn định lượng về mạng vi tuần hoàn não và những thay đổi huyết động của nó bằng cách kết hợp phạm vi không gian toàn não với độ phân giải hiển vi và độ phân giải thời gian 1 giây tương thích với hình ảnh chức năng thần kinh ”.
In vivo nghiên cứu
Để chứng minh khái niệm FULM, các nhà nghiên cứu đầu tiên chụp ảnh những con chuột trong phòng thí nghiệm bằng siêu âm chức năng (không có chất cản quang), tiếp theo là ULM trong cùng một mặt phẳng hình ảnh. Họ kết hợp các kích thích cảm giác (lệch râu hoặc kích thích thị giác) ở những con chuột được gây mê bằng cách tiêm microbubble liên tục. Đối với ULM, những con chuột được tiêm chậm liên tục các viên bi siêu nhỏ trong suốt thời gian chụp ảnh 20 phút, dẫn đến khoảng 30 viên bi nhỏ trên mỗi khung hình siêu âm.
Trong quá trình xử lý ULM, các nhà nghiên cứu đã lưu mọi bản nhạc với từng vị trí microbubble và vị trí thời gian tương ứng của nó. Họ đã xây dựng hình ảnh ULM bằng cách chọn kích thước pixel và sắp xếp từng microbubble trong mỗi pixel. Chỉ các pixel có ít nhất năm lần phát hiện microbubble khác nhau trong tổng thời gian thu được mới được sử dụng để phân tích.
Kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu lập bản đồ chứng tăng huyết áp chức năng (tăng lượng máu trong mạch) ở cả vùng vỏ não và vùng dưới vỏ với độ phân giải 6.5 µm. Họ đã định lượng các phản ứng huyết động học theo thời gian trong các lần kích thích râu ria cho XNUMX con chuột và trong các lần kích thích thị giác cho XNUMX con chuột, bằng cách đo lưu lượng và vận tốc microbubble.
Nhóm nghiên cứu đã định lượng sự tham gia của các mạch máu trong quá trình tăng huyết áp chức năng. Họ quan sát thấy sự gia tăng về số lượng microbubble, tốc độ và đường kính đối với tiểu động mạch và tiểu tĩnh mạch đại diện (động mạch / tĩnh mạch rất nhỏ dẫn vào / ra khỏi mao mạch), lưu ý rằng động vật đối chứng không có bất kỳ thay đổi nào. Họ cũng đưa ra “chỉ số tưới máu” và “chỉ số vùng thoát nước” để định lượng thêm sự tham gia của từng mạch máu riêng lẻ. Chúng tăng 28% và 54% khi kích thích tiểu động mạch và tiểu tĩnh mạch, tương ứng.
Do trường nhìn lớn, các nhà nghiên cứu có thể thực hiện phân tích định lượng đồng thời cho mọi mạch trên toàn bộ hình ảnh lát cắt não chuột, ngay cả trong các cấu trúc sâu như đồi thị đối với các kích thích râu và chất keo cao cấp đối với các kích thích thị giác.
Các tác giả viết: “Độ phân giải không gian đạt được cho phép FULM hình ảnh các ngăn mạch máu khác nhau trong toàn bộ não và phân biệt các đóng góp tương ứng của chúng, đặc biệt là ở các tiểu động mạch tiền mao mạch được biết là có đóng góp lớn vào những thay đổi mạch máu trong các hoạt động của tế bào thần kinh”.
Siêu âm siêu nhanh lập bản đồ các mạch máu nhỏ sâu trong não người
Họ nói thêm: “FULM cho thấy sự gia tăng tương đối của dòng chảy vi hạt lớn hơn trong các mạch trong nhu mô hơn là trong các tiểu động mạch. FULM cũng xác nhận các đặc điểm phụ thuộc vào độ sâu đối với lưu lượng máu và tốc độ xâm nhập vào các tiểu động mạch tại thời điểm ban đầu, và nêu bật sự thay đổi phụ thuộc vào độ sâu của tốc độ máu trong quá trình kích hoạt. Nó cũng định lượng sự gia tăng lớn của thông lượng microbubble, tốc độ máu và đường kính trong các tiểu tĩnh mạch trong quá trình kích hoạt. "
Là một công cụ nghiên cứu hình ảnh mới, fULM cung cấp một cách để theo dõi những thay đổi động trong quá trình kích hoạt não và sẽ cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các mạch thần kinh của não. Nó sẽ hỗ trợ nghiên cứu kết nối chức năng, hoạt động của vỏ não theo lớp cụ thể và hoặc những thay đổi khớp nối thần kinh trên quy mô toàn bộ não.
Tanter lưu ý rằng các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Y học đang hợp tác với công ty công nghệ y tế có trụ sở tại Paris biểu tượng, để cung cấp công nghệ này cho cộng đồng khoa học thần kinh và hình ảnh lâm sàng rất nhanh chóng.
