清醒小鼠中基于微泡追踪的功能超声定位显微镜技术

《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》：Microbubble Track-based Functional Ultrasound Localization Microscopy in Awake Mice

　　

摘要：

超快超声功能成像是一种用于研究啮齿类动物大脑神经活动的新兴成像技术。然而，现有的方法在功能成像灵敏度（即检测神经反应的能力）与空间分辨率之间难以取得平衡。例如，功能超声利用天然红细胞作为成像目标，虽然功能成像灵敏度较高，但由于受超声衍射极限的限制，其空间分辨率较低。另一方面，功能超声定位显微镜则使用静脉注射的微泡作为对比剂，从而实现高空间分辨率，但代价是功能成像灵敏度下降。本研究旨在通过开发一种基于微泡轨迹的血流动力学活动估算新方法，来提升功能超声定位显微镜的功能成像灵敏度。我们的方法是通过分析整个微泡运动轨迹所获得的信号，而非单个微泡的中心位置来进行功能相关性分析，从而解决功能超声定位显微镜中信号稀疏的问题。为进一步提升该技术的功能灵敏度，我们还基于颈静脉导管开发了一种新方法，可在清醒小鼠身上实现功能超声定位显微镜成像。体内成像实验表明，所提出的技术成功提升了功能超声定位显微镜的功能成像灵敏度，同时并未降低其高空间分辨率。在触须刺激实验中，该技术能够在不到5次刺激周期（5分钟的数据采集时间）内检测到显著激活的大脑区域，相比传统功能超声定位显微镜，所需时间减少了50%以上。