功能超声显微镜:在微米尺度感知整个大脑神经元的活动
随着医学物理实验室(Inserm, ESPCI Paris-PSL, CNRS)在过去十年取得的技术进步，超声正在改变神经成像领域。2009年，功能性超声(fUS)的引入为神经科学家提供了一种独特的技术——便携、易用、经济高效——以高灵敏度可视化大脑活动。2015年，另一种方法发明了超声定位显微镜(ULM)，产生了大脑血管网络的独特图像，揭示了微米大小的血管。2022年，医学物理学的研究人员将通过结合这两个领域的优点获得更壮观的结果:功能超声定位显微镜(fULM)捕捉到微米级的大脑活动。这项研究发表在自然方法．它为脑血管疾病的诊断开辟了重要的未来临床前景，如中风、所有小血管疾病、动脉瘤破裂或神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)早期出现的血管改变的风险。
超声波扫描仪能通过皮肤观察器官，因此广泛应用于医学成像，主要是在产科或心脏病学。到目前为止，超声在神经成像中的应用仍然局限于探测大的(直径几毫米的)神经。血港内船只大脑．然而，人们对更精确地观察脑血管系统非常感兴趣神经退行性疾病-阿尔茨海默症，痴呆-涉及大脑小血管功能障碍。
神经-血管耦合:神经和血管网络之间的对话
脑血管和神经元活动之间发生了紧密的相互作用:血管为神经元提供氧气和营养，因此支持神经元活动。这种基本的相互作用被称为神经血管耦合，在神经成像中被利用:检测血流变化可以检测大脑激活。
功能超声(fUS)具有非常高的灵敏度:它能够检测到脑血容量非常细微的变化。它提供了使用超声波固有的成像性能，即覆盖整个大脑的大视场和几百微米的分辨率。
为了区分较小的血管，医学物理实验室的研究人员开发了一种称为超声定位显微镜(ULM)的技术，它比标准超声获得了更好的空间分辨率。让我们想象一下，你试图捕捉一条狭窄道路的卫星视图。从远处分辨一条狭窄的小路可能是一件很有挑战性的事。现在，如果一辆摩托车开着前灯在那条路上行驶，你可能会看到它的光晕，光晕的中心会准确地告诉你摩托车的位置，从而显示出狭窄道路的位置。定位显微镜依赖于同样的原理:一个明亮的点状物体可以通过精确定位其光晕的中心来精确定位。在ULM中，“明亮”的物体是被注入血液循环的生物相容性微米大小的气泡。当这些微米大小的气泡在血流中移动时，追踪它们就能揭示血管具有微米级的精度，并使用超声成像跨越大视场。通过积累数百万个微泡的轨迹，研究人员在啮齿动物和小鼠的全脑尺度上重建了微血管解剖的独特图像人类患者，如之前的研究(Demené等，科学转化医学2017;Demeulenaere等人，eBioMedicine2022)。然而，该技术在动态捕捉神经元活动引起的局部血流变化方面速度和灵敏度不够。
在微观层面非侵入性探测大脑活动
在目前的研究中，发表在自然方法在美国，研究人员解决了这个问题，并进一步分析了微泡在大鼠大脑血管系统中的旅程。他们不仅对大脑微血管成像，还通过计算微泡在每根血管中通过的数量和速度来检测局部大脑激活:当大鼠大脑的某个区域激活时，由于神经血管耦合，局部血量增加，血管扩张，允许更多微泡通过。换句话说，从ULM数据中提取动态信息成为可能。追踪微泡不仅可以定位微血管，还可以感知微血管的功能活动船规模。所有的技术发展都产生了一种新的神经成像方法，即功能性超声定位显微镜(fULM)，它独特地结合了三种主要优势:无创的大脑活动量化，在显微镜分辨率和整个器官尺度，集成在一个易于使用和成本效益超声波扫描仪。
证明fULM的概念是一个关键的科学飞跃，但这只是进入神经科学一个新的和广阔的研究领域的第一步。在fULM采集过程中捕获的数百万个微泡中的每一个都携带着大量有待探索的生物相关信息。科学家们即将面临的任务将是开发、处理并将这些海量信息与脑血管和神经退行性疾病相关的机制联系起来。
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