杜克大学利用光和声以前所未有的细节揭示快速的大脑活动

杜克大学(Duke University)的生物医学工程师开发了一种方法，可以实时扫描老鼠大脑内的血液流动和氧气水平，并对其进行成像，分辨率足以同时观察单个血管和整个大脑的活动。这种新的成像方法打破了大脑成像技术长期以来在速度和分辨率方面的障碍，可能会对中风、痴呆甚至急性脑损伤等神经血管疾病有新的见解。

　　

   

   

图片:图片显示了大脑的血管系统，颜色显示了当大脑缺氧时，毛细血管是如何经历不同程度的氧合的。

杜克大学(Duke University)的生物医学工程师开发了一种方法，可以实时扫描小鼠大脑内的血液流动和氧气水平，并对其成像，分辨率足以同时观察单个血管和整个大脑的活动。

这种新的成像方法打破了大脑成像技术长期以来在速度和分辨率方面的障碍，可能会对中风、痴呆甚至急性脑损伤等神经血管疾病有新的见解。

这项研究发表在5月17日的自然杂志《光:科学与应用》上。

对大脑进行成像是一项平衡的工作。工具需要足够快才能捕捉到快速的事件，比如神经元放电或毛细血管中的血液流动，它们还需要显示不同规模的活动，无论是整个大脑还是单个动脉的水平。

杜克大学(Duke)生物医学工程助理教授姚俊杰(Junjie Yao)说:“你可以单独完成这些事情，但要把它们一起做就很难了。”“这就像是在选择一辆小型且坐起来不舒服的快车，还是一辆时速不超过30英里的大型宽敞轿车。在很长一段时间里，没有办法一次性得到你想要的一切。”

在他们的新研究中，Yao和他的团队讨论了他们如何通过开发超快光声显微镜(UFF-PAM)来解决这个长期存在的权衡问题。

光声显微镜利用光和声的特性来捕捉全身器官、组织和细胞的详细图像。该技术使用激光将光线射入目标组织或细胞。当激光击中细胞时，细胞立即发热并膨胀，产生一种传回传感器的超声波。

UFF-PAM依靠硬件进步和机器学习算法的结合来升级这项技术。在硬件方面，多边形扫描系统向更大的区域发送更多的激光脉冲，而新的扫描机制允许激光扫描仪和超声波传感器同时工作。Yao说，这些变化使他们的设备的速度提高了一倍，使UFF-PAM成为光声领域最快的成像技术。

然后姚和他的团队开发了一种机器学习算法，提高了图像的分辨率。他们利用之前实验中收集的400多张小鼠大脑图像，训练它识别大脑中的脉管系统。尽管每个大脑都是独一无二的，但算法学会了如何识别共同的结构，并利用这些知识来填补之前缺失的像素。

“最终的图像看起来和我们通常以慢速行驶时得到的高分辨率图像一样详细，而且我们不需要牺牲整个视野，”Yao说。

作为概念的证明，该团队使用UFF-PAM可视化小鼠大脑中的血管对缺氧、药物诱发的低血压和缺血性中风的反应。在低氧挑战中，UFF-PAM跟踪氧气如何在大脑中移动，并显示低水平的氧气会导致血管扩张。

在第二个挑战中，团队使用了常用的治疗高血压的药物硝普钠(SNP)。此前，研究人员认为SNP导致大脑中的所有血管扩张。但是Yao和他的团队却发现只有大血管会开放，而小血管则会收缩。

“因为我们很快得到了小血管的高分辨率视图，我们发现扩张实际上并不是对药物的普遍反应，”Yao说。“我们发现，这些小血管不能为组织提供足够的氧气和营养，从而导致损伤。”

在最后的挑战中，研究小组使用UFF-PAM观察大脑对中风的反应并开始恢复。研究小组发现，中风后，受影响区域的血管会立即收缩。这导致邻近的血管也收缩，这种现象称为扩散的去极化波。由于大视场和高成像速度，研究小组能够精确地定位波的起始位置，并跟踪它在大脑中传播的运动。

展望未来，该团队旨在使用UFF-PAM探索更多的大脑疾病模型，如痴呆、阿尔茨海默病甚至长冠状病毒。他们还计划扩大该工具在大脑之外的应用，为心脏、肝脏和胎盘等器官成像。传统上，由于这些器官总是在运动，所以成像工具需要以更快的速度进行操作，因此对它们进行成像一直具有挑战性。

“既然我们已经解决了这些长期存在的障碍，我们可以利用这项技术做很多事情，”Yao说。“我们正在挑选最具挑战性的项目，以最大限度地发挥这项技术的影响。”

文章标题

Real-time whole-brain imaging of hemodynamics and oxygenation at micro-vessel resolution with ultrafast wide-field photoacoustic microscopy