2025年9月14日，由美国俄克拉荷马大学健康科学中心Stefano Tarantini教授的研究团队在Advanced Science期刊上发表了题为 “A Minimally Invasive Framework Reveals Region-Specific Cerebrovascular Remodeling in Aging Using Intravital Functional Ultrasound Imaging and Ultrasound Localization Microscopy (fUS-ULM)” 的研究论文。

研究团队不仅成功构建了一种结合功能超声与超声定位显微镜、通过慢性植入透明颅窗实现的微创高分辨率活体脑成像平台，更利用该平台揭示了衰老过程中大脑皮层、海马体及白质区域普遍存在但传统技术难以精确量化的微血管结构与功能重塑，并首次提出皮质小动脉-静脉比率作为衰老相关脑血管结构变化的新型生物标志物。

研究的主要结果
本研究利用功能超声联合超声定位显微镜这一微创活体成像平台，通过TPX透明颅窗，对年轻（3-6月龄）与老年（24-28月龄）小鼠进行了高分辨率脑血管成像（图1），精确揭示了衰老过程中区域特异性的脑血管重构。
 

图1: 实验设计与成像流程概览
实验装置示意图(A): 使用ICONEUS超声探头、超声耦合剂和TPX颅窗进行fUS成像。

实验对象与模式(B): 年轻组（3-6月龄）和老年组（24-28月龄）小鼠；感兴趣区域：皮层、海马体和白质。

研究目标可视化(C, D, E): C) 全脑血管密度，D) 静息脑血流量，E) 功能性充血。

1、全脑及关键区域血管密度显著下降逾20%
研究通过量化血管覆盖的像素百分比，发现衰老导致广泛的血管稀疏化（图2）。与年轻小鼠相比，老年小鼠的全脑血管密度显著降低。更为精细的区域分析显示，大脑皮层的血管密度下降了约20%，海马体的血管密度下降了近30%，而白质区域的血管密度下降幅度最大，超过了30%。这些数据表明，与认知功能密切相关的深部脑区在衰老过程中遭受了更为严重的血管网络退化。
 

图2: 衰老导致全脑及区域特异性血管密度下降

图像转换与区域选择 (A): 将ICONEUS产生的灰度ULM图像通过定制MATLAB脚本转换为二值化血管图。图像中叠加了小鼠脑图谱，以便在全脑、皮层、海马体和白质等特定区域进行量化分析。

统计量化(B): 与年轻小鼠相比，老年小鼠在全脑、皮层、海马体和白质四个区域的血管覆盖率（即血管密度）均出现极显著的下降。

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2、脑血管平均直径缩减超15%
通过对血管结构的局部厚度分析，研究发现衰老导致血管普遍狭窄（图3）。定量数据显示，老年小鼠大脑皮层血管的平均直径从年轻时的约16微米减小至约13.5微米，缩减幅度超过15%。在海马体和白质区域，也观察到了类似的显著减小趋势。血管直径分布频率图进一步证实，老年大脑中较小直径（例如半径<10μm）的血管比例显著增加。
 

图3: 衰老引起关键脑区微血管直径缩小

血管直径彩色图谱(A): 紫色代表小血管，黄色代表大血管。直观显示老年小鼠大脑中黄色区域减少，表明大血管比例下降。

直径分布频率(B): 在皮层、海马体和白质区域，老年小鼠的血管直径分布向更小的尺寸偏移。

直径数据统计(C): 老年小鼠在皮层、海马体和白质区域的平均血管直径显著小于年轻小鼠。

3、脑血流速度与流量呈现区域异质性改变
研究通过追踪微泡速度发现，衰老对血流动力学的影响因脑区而异（图4，5）。在大脑皮层，老年小鼠的平均血流速度从年轻时的约25 mm/s显著增加至约32 mm/s。然而，在海马体区域，血流速度从约20 mm/s显著下降至约14 mm/s；在白质区域，从约18 mm/s下降至约12 mm/s。结合血管直径估算的静息脑血流量显示，尽管皮层速度增加，但其血流量未显著变化，而海马体和白质区域的静息脑血流量分别显著下降了约40%和50%，揭示了这些区域的灌注不足。

图4: 衰老改变区域性脑血流速度

速度图谱与选区 (A): 展示了由ICONEUS软件基于微泡速度（0-100 mm/s）生成的速度图，并标明了用于分析的皮层、海马体和白质区域。

速度分布频率 (B): 在皮层区域，老年小鼠的血流速度分布向更高速度偏移；而在海马体和白质区域，其分布则向更低速度偏移。

速度数据统计 (C): 老年小鼠在皮层区的血流速度显著增加，而在海马体和白质区的血流速度显著下降。
 

图5: 衰老导致海马体与白质静息脑血流量下降

脑血流量彩色图谱 (A): 直观显示老年小鼠海马体和白质区域的血流量减少。

脑血流量分布 (B): 年轻和老年小鼠在皮层、海马体和白质区域的脑血流量相对分布情况。

脑血流量统计 (C): 老年小鼠在全脑、海马体和白质区域的静息脑血流量显著降低，而在皮层区域则无显著变化。

4. 皮层小动脉-小静脉比率下降约25%
本研究创新性地量化了皮层穿透血管的动脉-静脉平衡（图6）。结果显示，年轻小鼠的皮层小动脉-小静脉比率约为0.45，而老年小鼠则显著降至约0.34，降幅高达约25%。这一量化指标表明，衰老过程中皮层微循环的动脉输入相对减少，可能破坏了正常的血流灌注与代谢废物清除的平衡。

图6: 衰老显著降低皮层小动脉-小静脉比率

血管方向性分离 (A): 利用从ICONEUS软件导出的Y方向血流图，通过FIJI处理将小动脉（红色，血流朝向特定方向）与小静脉（蓝色，血流背离特定方向）分离开来。

AVR量化 (B): 通过MATLAB脚本量化皮层区域小动脉和小静脉的像素比例，并以柱状图显示结果。结果表明，老年小鼠的AVR显著低于年轻小鼠。

5、神经血管耦合响应幅度减半且延迟
通过fUS评估触须刺激诱发的神经血管耦合反应，研究发现老年小鼠的功能性充血响应峰值幅度相比年轻小鼠降低了约50%。此外，年轻小鼠的脑血流响应在刺激开始后约2-3秒达到峰值，而老年小鼠的峰值时间显著延迟至约5-6秒。这些量化数据清晰地表明，衰老严重损害了神经血管单元快速、有效地调节局部血流以满足神经元活动需求的能力。
 

Figure 7: 衰老显著削弱神经血管耦合反应

功能响应图像 (A): 以冠状面和轴状面图像展示了年轻和老年小鼠在对侧触须刺激下，大脑体感皮层的脑血流量增加响应。红色区域的大小和强度代表了功能性充血的幅度。

响应参数统计 (B): 与年轻小鼠相比，老年小鼠的功能性充血平均响应强度和峰值强度均显著降低，而达到峰值所需的时间则显著延长。

个体与平均响应曲线 (C & D):C) 个体响应轨迹: 绘制了所有年轻和老年小鼠个体对30秒刺激的脑血流量响应曲线。D) 平均响应曲线: 展示了年轻和老年小鼠组的平均脑血流量响应曲线，清晰地显示了老年组响应幅度减小和延迟的现象。黄色矩形标明了刺激时间窗口。

研究总结
本研究通过高分辨率的fUS-ULM成像技术，全面描绘了衰老过程中大脑脑血管在结构和功能上的深刻变化，尤其揭示了海马体和白质区域的高度易损性，以及皮层可能存在的代偿机制。

这些发现不仅深化了对血管性认知障碍病理机制的理解，也为开发针对性的干预措施和评估其疗效提供了强大的技术平台和新的生物标志物。

Negri S, Nyul-Toth A, Milan M, et al. A Minimally Invasive Framework Reveals Region-Specific Cerebrovascular Remodeling in Aging Using Intravital Functional Ultrasound Imaging and Ultrasound Localization Microscopy (fUS-ULM). Adv Sci (Weinh). 2025 Sep 14:e10754. doi: 10.1002/advs.202510754.

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