利用光和声音以前所未有的细节揭示大脑的快速活动

杜克大学的生物医学工程师已经开发出一种方法，可以实时扫描和成像老鼠大脑内的血液流动和氧气水平，其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脑成像技术长期存在的速度和分辨率障碍，并可能为中风、痴呆甚至急性脑损伤等神经血管疾病提供新的见解。

这项研究发表在5月17日的《科学》杂志上光:科学与应用。

大脑成像是一种平衡行为。工具需要足够快，以捕捉快速事件，如神经元放电或血液流经毛细血管，它们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。

杜克大学生物医学工程助理教授姚俊杰说:“你可以单独实现这些目标，但很难把它们放在一起。”“这就像在一辆小而不舒服的快车和一辆时速不超过30英里的大而宽敞的车之间做出选择。在很长一段时间里，没有办法立刻得到你想要的一切。”

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速光声显微镜(UFF-PAM)来解决这种长期存在的权衡。

光声显微镜利用光和声音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送入目标组织或细胞。当激光击中电池时，它会立即升温并膨胀，产生一种超声波，并传回传感器。

UFF-PAM依靠硬件进步和机器学习算法的结合来升级技术。在硬件方面，多边形扫描系统将更多的激光脉冲发送到更大的区域，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。根据Yao的说法，这些变化使他们的设备的速度翻了一番，使UFF-PAM成为光声领域最快的成像技术。

姚和他的团队随后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多张老鼠大脑图像，训练它识别大脑中的血管系统。虽然每个大脑都是独一无二的，但该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照片一样详细高分辨率图像如果我们以慢得多的速度飞行，我们通常会得到这样的效果，而且我们不需要牺牲整个视野，”姚说。

作为概念验证，该团队使用UFF-PAM来可视化如何血管在一个老鼠大脑对缺氧、药物性低血压和缺血性脑卒中有反应。在缺氧挑战期间，UFF-PAM追踪了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，研究小组使用了通常用于治疗高血压的药物硝普钠(SNP)。此前，研究人员认为SNP会导致大脑中的所有血管扩张。但是Yao和他的团队发现，只有较大的血管会扩张，而较小的血管会收缩。

“因为我们很快获得了小血管的高分辨率视图，我们看到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无法为组织提供足够的氧气和营养，从而造成了损伤。”

在最后的挑战中，研究小组使用UFF-PAM来观察大脑对中风的反应和开始恢复的情况。研究小组发现，中风后，受影响区域的血管立即收缩。这导致它们邻近的血管也收缩，这种现象称为扩张性去极化波。由于大视野和高成像速度，研究小组能够精确地确定脑电波的起始位置，并跟踪其在整个大脑中传播的运动。

展望未来，该团队的目标是使用UFF-PAM探索其他脑部疾病模型，如痴呆症、阿尔茨海默病甚至长冠状病毒病。他们还计划将该工具的使用范围扩大到美国以外大脑对心脏、肝脏和胎盘等器官进行成像。由于这些器官一直处于运动状态，因此成像工具需要以更快的速度运行，因此传统上对这些器官进行成像具有挑战性。

“现在我们已经解决了这些长期存在的障碍，我们可以用这项技术做很多事情，”姚说。“我们正在努力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。”