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开发了一种方法，可以实时扫描和成像小鼠大脑内的血流和氧气水平，具有足够的分辨率，可以同时查看单个血管和整个大脑的活动。
这种新的成像方法打破了长期以来大脑成像技术的速度和分辨率障碍，可以揭示中风、痴呆甚至急性脑损伤等神经血管疾病的新见解。
该研究发表于5月17日光:科学与应用．
大脑成像是一种平衡。工具需要足够快来捕捉快速事件，比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，无论是在整个大脑还是在单个动脉的水平上。
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，但很难一起实现。”“这就像在一辆小而不舒服的快车和一辆每小时不超过30英里的大而宽敞的车之间做出选择。在很长一段时间里，没有一种方法可以一下子得到你想要的一切。”
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问题。
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线射入目标组织或细胞。当激光击中电池时，它会立即升温并膨胀，产生一个超声波，然后传回传感器。
UFF-PAM依赖于硬件进步和机器学习算法的结合来升级技术。在硬件方面，一个多边形扫描系统将更多的激光脉冲发送到更大的区域，而一个新的扫描机构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翻了一番，使UFF-PAM成为光声领域最快的成像技术。
然后，Yao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多张老鼠大脑图像，训练它识别大脑中的血管系统。尽管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充之前缺失的像素。
最终的图像看起来和高分辨率图像如果我们以慢得多的速度行驶，我们通常会得到这样的效果，我们不需要牺牲整个视野，”姚说。
作为概念的证明，团队使用UFF-PAM来可视化如何实现血管在一个老鼠大脑对缺氧、药物性低血压和缺血性卒中有反应。在缺氧挑战中，UFF-PAM追踪了氧气如何在大脑中移动，并表明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。但姚和他的团队却证明，只有较大的血管会扩张，而较小的血管会收缩。
“因为我们很快就得到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，”姚说。“我们发现，这些小血管无法为组织提供足够的氧气和营养物质，从而造成损伤。”
在最后的挑战中，研究小组使用UFF-PAM来观察大脑如何对中风做出反应并开始恢复。研究小组发现，中风后，受影响区域的血管立即收缩。这导致它们相邻的血管也在一种被称为扩散去极化波的现象中收缩。由于大视场和高成像速度，研究小组能够精确地确定波的起始位置，并跟踪它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来探索其他大脑疾病模型，如痴呆症、阿尔茨海默病甚至长冠病毒。他们还计划将该工具扩展到美国以外的地区大脑对心脏、肝脏和胎盘等器官进行成像。传统上，这些器官的成像具有挑战性，因为它们一直在运动，因此成像工具需要以更快的速度运行。
“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。“我们正试图选择最具挑战性的项目来开展工作，以最大限度地发挥这项技术的影响。”
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