神经影像学增加了我们对大脑功能的理解。 这种技术通常涉及测量血流变化以检测大脑激活，利用大脑血管和神经元活动之间的基本相互作用。 这种所谓的神经血管耦合的任何改变都与脑功能障碍密切相关。 对脑微循环进行成像的能力尤为重要，因为痴呆和阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病涉及小脑血管的功能障碍。
研究人员在 巴黎医学物理研究所 (Inserm/ESPCI PSL 大学/CNRS) 现在已经开发出一种称为功能性超声定位显微镜 (fULM) 的方法，该方法可以捕获微米级的大脑活动。 该团队在 自然方法，以及对 fULM 图像采集和分析过程的详细说明。
与在微观尺度上研究脑功能的侵入性电生理学或光学方法不同，超声定位显微镜 (ULM) 可以是非侵入性的。 成像技术跟踪注入血液循环的生物相容性微米级微泡，通过积累数百万个微泡的轨迹，重建的图像可以在大视野范围内以微米级精度揭示脑血容量的细微变化。
研究人员此前曾使用 ULM 在啮齿动物和人类的全脑范围内揭示微血管解剖结构。 ULM 的空间分辨率是功能性超声成像的 16 倍。 但由于采集过程缓慢，ULM 只能生成由神经元活动诱导的血流静态图。
fULM 技术克服了这一限制。 除了对大脑微脉管系统进行成像外，该技术还通过计算通过每个血管的微气泡的数量和速度来检测局部大脑激活。 当大脑区域激活时，神经血管耦合会导致局部血容量增加，从而扩张血管并允许更多微泡通过。 fULM 提供了表征此类血管动力学的多个参数的局部估计，包括微泡流、速度和血管直径。
据首席调查员称 迈克尔·坦特 及其同事，将 fULM 集成到具有成本效益、易于使用的超声扫描仪中，通过将全脑空间范围与微观分辨率和 1 秒时间分辨率相结合，提供了“对大脑微循环网络及其血流动力学变化的定量观察与神经功能成像兼容”。
体内 研究
为了证明 fULM 概念，研究人员首先用功能性超声（无对比）对实验室大鼠进行成像，然后在同一成像平面上进行 ULM。 他们将麻醉大鼠的感觉刺激（晶须偏转或视觉刺激）与连续微泡注射相结合。 对于 ULM，大鼠在 20 分钟的成像过程中连续缓慢注射微泡，导致每个超声帧大约有 30 个微泡。
在 ULM 处理过程中，研究人员保存了每个轨道的每个微泡位置及其各自的时间位置。 他们通过选择像素大小并对每个像素内的每个微泡进行分类来构建 ULM 图像。 只有在总采集时间内具有至少五个不同微泡检测的像素用于分析。
该技术使研究人员能够以 6.5 µm 的分辨率绘制皮质和皮质下区域的功能性充血（血管中的血液增加）。 他们通过测量微泡通量和速度来量化四只大鼠的晶须刺激和三只大鼠的视觉刺激期间的时间血流动力学反应。
该团队量化了功能性充血期间血管的参与。 他们观察到有代表性的小动脉和小静脉（通入/引出毛细血管的非常小的动脉/静脉）的微泡计数、速度和直径增加，并指出对照动物没有表现出任何变化。 他们还引入了“灌注”和“引流面积指数”，以进一步量化每条血管的参与。 在小动脉和小静脉刺激期间，这些分别增加了 28% 和 54%。
由于大视野，研究人员可以同时对整个大鼠脑切片图像中的每个血管进行定量分析，即使在深层结构中，例如用于胡须刺激的丘脑和用于视觉刺激的上丘。
“实现的时空分辨率使 fULM 能够对整个大脑中的不同血管隔室进行成像，并区分它们各自的贡献，特别是在已知对神经元活动期间的血管变化有重大贡献的毛细血管前小动脉中，”作者写道。
超快超声波绘制人脑深处的微小血管
他们补充说：“fULM 表明，微泡流量的相对增加在实质内血管中比在小动脉中更大。 fULM 还证实了基线时穿透小动脉中血流和速度的深度依赖性特征，并强调了激活过程中血流速度的深度依赖性变化。 它还量化了激活过程中微泡通量、血液速度和小静脉直径的大幅增加。”
作为一种新的成像研究工具，fULM 提供了一种跟踪大脑激活过程中动态变化的方法，并将提供对神经大脑回路的见解。 它将有助于在全脑范围内研究功能连接、特定层的皮质活动和/或神经血管耦合改变。
Tanter 指出，医学物理研究所的研究人员正在与这家总部位于巴黎的医疗技术公司合作 图标，使这项技术非常迅速地用于神经科学界和临床成像。
