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激光散斑血流成像技术新视野:深度学习海马区血流

2025-01-07     来源:本站     点击次数:338

在神经科学的研究版图中,海马区一直是备受瞩目的关键区域。它宛如大脑的 “记忆中枢”,深度参与学习、记忆形成、空间导航及情绪调控等复杂的神经活动。随着年龄增长或疾病侵袭,海马区结构与功能易受干扰,进而引发认知能力衰退,如在阿尔茨海默病中,海马区往往首当其冲。因此,深入探究海马区血流状况,对剖析其在认知进程中的作用机制及探寻神经退行性疾病的早期干预靶点意义非凡。

传统的脑血流监测技术在海马区研究中存在诸多局限。正电子发射断层扫描(PET)和功能磁共振成像(FMRI)虽能提供脑部血流信息,但空间分辨率尚不足以精细呈现海马区微小血管的血流动态;而单光子发射计算机断层扫描(SPECT)在时间分辨率方面表现欠佳,难以捕捉血流的快速瞬变过程。相比之下,光学成像技术凭借高时空分辨率脱颖而出,成为研究微血管血流的有力工具,其中激光散斑血流成像技术更是备受关注。

激光散斑血流成像(LSCI)基于近红外激光与标准CMOS相机协同工作原理。当激光照射脑组织后,运动的血细胞会使散射光形成强度波动的散斑图案。在有限曝光时间内,这些波动致使散斑模糊,其模糊程度与血细胞运动速度紧密相连,进而可通过散斑对比度(K)量化血流信息。动态光散射成像(DLSI)则从光散射机制出发,精准区分静态散射与多种动态散射模式,如多散射无序运动(MU)、单散射无序运动、多散射有序运动(SU/MO)及单散射有序运动(SO)等,为深入探究组织光学特性提供关键依据。

实验方法
1、动物准备
实验选用12周龄的C57BL/6小鼠,精心构建慢性皮质颅窗(n=1)与海马窗(n=3)模型。在严格遵循动物实验伦理规范与操作指南的前提下,对小鼠进行麻醉、手术及术后悉心护理,确保实验动物处于良好状态。

2、体内成像
成像前用异氟醚诱导麻醉,LSCI和DLSI成像时将小鼠置于恒温加热垫上,头部固定,使用定制成像系统。TPM用于评估两只示例小鼠(一只皮质窗,一只海马窗)的血管网络拓扑结构,小鼠需在清醒状态下适应束缚,成像前放置尾静脉导管输注荧光团,使用特定物镜和参数采集图像。

3、数据分析
成像过程中,利用定制的集成系统、785nm激光经光纤耦合与光学元件精准投射至样本,散射光由特定相机收集,分别获取高分辨率的LSCI与DLSI数据。同时,借助双光子显微镜(TPM)对部分小鼠血管网络拓扑结构进行细致成像,为后续分析提供多维度数据支撑。

实验结果
1、LSCI成像中的海马区血管特征
在利用LSCI技术对小鼠海马区进行成像观察时,研究人员发现了一个引人注目的现象:海马区中的大多数中型和大型血管在不同的物镜样本距离下,均呈现出模糊不清的状态。这种模糊现象与大脑皮层中类似口径的血管成像形成了鲜明对比。为了排除可能影响成像质量的因素,研究人员进一步采用了双光子显微镜(TPM)血管造影技术对相同的颅骨窗口进行成像分析。结果表明,TPM血管造影图显示窗口质量并非导致海马区对比图像失真的原因。这一发现使得研究的焦点更加明确地指向了海马区血管自身的特性以及其周围组织的光学特性。

2、DLSI成像揭示的光散射特性
为了深入探究海马区血管模糊成像的原因,研究人员运用了动态光散射成像技术(DLSI)。DLSI技术能够对不同的光散射机制进行精确分析,包括静态散射和各种动态散射过程,如多重散射无序运动(MU)、单散射无序运动、多重散射有序运动(SU/MO)以及单散射有序运动(SO)等。通过DLSI成像分析,研究人员发现海马区像素在早期时间滞后时的解相关速度比皮层快,但随后这种解相关速度变慢。这种特殊的解相关动态变化表明,海马区组织中的光散射过程与皮层存在显著差异。

进一步的研究结果显示,与皮层相比,海马区大血管中多重散射无序运动(MU)动力学机制占据主导地位。具体数据表明,在拟合DLSI模型时,海马区大血管中MU机制的贡献增加了约13倍,同时实质组织中的静态散射量也增加了约4倍。这意味着在海马区中,光子的散射过程更为复杂,更多的光子经历了多次散射且呈现出无序运动的特征,这可能是导致海马区血管在LSCI成像中显得模糊的重要原因之一。

3、海马区与皮层的对比分析
通过对LSCI和DLSI成像结果的综合分析,研究人员清晰地描绘出了海马区与皮层在血管结构和光散射特性方面的差异。在血管结构上,正如之前所提到的,海马区的血管呈现倒置分布,较大血管深埋,较小血管和毛细血管靠近表面,而皮层的血管分布相对较为均匀。这种结构差异直接影响了光在组织中的传播和散射过程。

在光散射特性方面,皮层的大血管主要表现为SU/MO和SO机制,而海马区则以MU机制为主,同时静态散射贡献增加。这些差异不仅解释了为何海马区血管在LSCI成像中表现模糊,也为进一步理解海马区的生理功能和病理机制提供了重要线索。例如,较高的静态散射可能会影响光线在海马区组织中的穿透深度和散射方向,从而改变了成像的对比度和清晰度。同时,MU机制的主导地位可能暗示着海马区血管内的血流动力学过程更为复杂,红细胞的运动和分布可能与皮层存在显著不同。

研究结论
1、LSCI技术在海马区研究中的局限性
尽管激光散斑血流成像(LSCI)在大脑皮层等区域的血流灌注成像研究中表现出色,但在应用于海马区研究时,其局限性也逐渐显现。海马区大血管的空间特征模糊不清,这使得准确测量血管直径变得极为困难,甚至几乎无法实现。在研究血管直径与血流动力学关系时,这种模糊性可能导致数据的不准确和结论的偏差。此外,由于大血管成像模糊,识别实质区域也变得更加复杂,因为模糊的大血管信号可能会掩盖实质区域的真实信号,从而影响对海马区局部血流灌注和功能状态的准确评估。

2、海马区的光散射特性与血流动力学模型
研究结果明确显示,海马区中的多重散射无序运动动力学机制在血管系统中占据主导地位,尤其是在大血管中表现得更为明显。这一发现提示我们,在研究海马区的血流动力学过程时,必须采用相应的对比模型来准确估计解相关时间。传统的基于皮层血管特性的模型可能无法准确反映海马区的真实情况,从而导致对血流速度、血流量等关键参数的错误估计。

同时,海马区中增加的静态散射也对成像和分析提出了挑战。在这种情况下,多曝光散斑成像或动态光散射成像(DLSI)技术可能更为适用,因为它们能够更好地处理静态散射的影响,提供更准确的血管和组织信息。然而,研究也发现现有DLSI模型在应用于海马区时,拟合优度R²低于皮层,这表明该模型可能尚未完全考虑到海马区组织独特的动态光散射复杂性。海马区大血管深埋的结构特点可能导致在同一像素中检测到的光子来自不同运动状态的粒子,如既有来自大血管中相对缓慢流动的红细胞的散射,也有来自毛细血管中快速运动的红细胞的散射,这使得光散射过程变得更加复杂,需要进一步改进模型以提高其准确性。

3、研究的创新点
研究的创新之处在于首次系统地应用高分辨激光散斑血流成像技术(HR-LSCI)和动态光散射成像技术(DLSI)对小鼠海马区的血流灌注进行了研究,并揭示了海马区独特的血管结构和光散射特性。通过对比分析海马区与皮层的差异,为深入理解海马区的生理功能和病理机制提供了新的实验依据和理论基础。

展望未来
虽然揭示了海马区在激光散斑血流成像中的一些重要特征,但仍留下了许多未解之谜。未来的研究需要进一步深入探究海马区的准备过程对其行为、血流灌注和细胞形态的影响。例如,在手术制作颅骨窗口和处理海马区组织的过程中,可能会引起局部炎症反应、神经递质释放变化或细胞应激反应等,这些因素如何影响海马区的正常功能以及成像结果需要进一步明确。

此外,研究海马区不同区域之间在血管结构和血流动力学方面的差异,有助于我们更全面地理解海马区的功能分区和信息处理机制。在技术发展方面,需要开发更加先进的成像技术和分析方法,以克服现有技术的局限性,提高对海马区微观结构和功能的分辨率和准确性。结合基因编辑技术、光遗传学技术等多学科手段,有望在细胞和分子水平上揭示海马区在健康和疾病状态下的奥秘,为治疗与海马区相关的神经退行性疾病提供新的理论依据和治疗靶点。

声明:本文仅用作学术目的。文章来源于:Mikkelsen SH, Skøtt MV, Gutierrez E, Postnov DD. Laser speckle imaging of the hippocampus. Biomed Opt Express. 2024 Jan 30;15(2):1268-1277. doi: 10.1364/BOE.507371. PMID: 38404300; PMCID: PMC10890870.

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