多阵列探头实现小鼠全脑经颅功能超声与超声定位显微成像的融合研究

本期推荐：法国巴黎物理医学研究所团队突破传统超声技术局限，开发基于多阵列探头的全脑扫描方案，成功实现小鼠经颅功能超声成像(fUS)与超声定位显微镜(ULM)的同步应用。该研究通过优化89%成像比率的运动扫描方案，首次在活体获得11.9×7.87×8.1 mm3全脑微血管血流动力学数据，揭示脑血流绝对体积(ACBV)与微泡速度的层级相关性，为神经血管耦合机制研究提供全新工具。

　　

超声成像技术在神经科学研究中正经历革命性变革，但传统方法面临"维度困境"——线性探头仅能获取狭窄的二维视野，而矩阵探头又难以满足经颅脑成像的灵敏度需求。这种技术瓶颈严重制约着对神经血管耦合机制的深入探索，特别是在全脑尺度上同时解析功能活动与微血管动态的需求日益迫切。法国巴黎物理医学研究所的Mathis Vert团队创新性地采用多阵列探头技术，通过机械运动控制实现四组64阵元线性子阵列的协同工作，在活体小鼠上首次完成经颅全脑功能超声成像(fUS)与超声定位显微镜(ULM)的融合应用。

研究团队采用四大关键技术：1) 多阵列探头系统集成四组15MHz中心频率的线性子阵列，通过525μm步进电机扫描实现全脑覆盖；2) 优化运动协议实现89%成像比率(10s成像/1.2s移动)，保障微泡(MBs)在短暂寿命期内的高效检测；3) 倾斜平面波发射序列(10角度复合500Hz)结合梯形波束成形，扩展11.9×7.87×8.1 mm³视野；4) 基于Allen脑图谱的血管配准系统(BPS)实现功能与结构数据的三维对齐。实验选用6只C57BL/6J雄性小鼠，通过胡须机械刺激范式(3Hz)诱发桶状皮层反应，同步采集fUS和ULM数据。

"多阵列探头实现全脑微观血管造影"部分显示，ULM成功追踪250万个微泡，获得5×5×525 μm³分辨率，较传统fUS的110×98×525 μm³提升逾10倍。傅里叶环相关分析证实13.33μm的极限分辨率，清晰显示32μm级微血管(图2d)。在"全脑血流特性的微泡追踪定量"中，速度图谱揭示微血管血流层级结构，而fUS信号的空间平均特性使其无法区分不同动脉级别(图3b)。"功能活跃区域的微血管ULM显像"证实胡须刺激引发桶状皮层15%的相对脑血容量(rCBV)增加，单次试验即可检测显著激活(z-score检验)(图4c)。

"血管层级功能反应的群体统计"发现绝对脑血容量变化(△CBV)与微泡速度呈弱相关(r=0.19,p=1.9×10^-3)，但相对响应(rCBV)与速度无显著关联(图5c)。这一发现挑战了传统认知——尽管小动脉-毛细血管过渡区(ACT)应呈现更强rCBV响应，但fUS的100μm分辨率限制使其无法区分血管壁慢流与毛细血管流。

该研究突破性地证实：多阵列探头技术可协同fUS与ULM优势，在不牺牲各自性能的前提下实现全脑尺度的功能与结构成像。89%的高成像比率方案显著提升微泡检测效率，而13.33μm的ULM分辨率为神经血管耦合研究设立新标准。特别值得注意的是，fUS虽能敏感检测1mm/s级慢流，但其有限分辨率导致无法区分不同动脉层级的相对响应，这一发现对神经影像数据解读具有重要修正意义。该技术为阿尔茨海默病、血管性痴呆等脑血管病变的纵向研究提供全新工具，其非侵入特性更利于转化临床应用。未来通过512通道扫描器等硬件升级，有望将应用范围扩展至大鼠等更大动物模型，推动神经血管研究进入微观动态新时代。