《Nature》研究成果：可穿戴光声纤维镜实时成像自由活动小鼠脑血氧
2025-06-25 来源:本站 点击次数:93这项突破性研究由美国伊利诺伊大学香槟分校Yong Xu团队完成，成果发表于《Nature Communications》期刊，论文题为《A Wearable Photoacoustic Fiberscope for Cerebral Hemodynamics Imaging in Freely Moving Mice》。研究团队耗时多年，通过光纤传感器的微型化设计和MEMS扫描技术的优化，将原本庞大的光声显微镜“浓缩”成仅4.5克的头戴式探头，成功攻克了自由活动动物成像的难题。这一成果不仅被《自然》系列期刊列为年度亮点，更被国际同行评价为“重新定义了脑氧合成像的可能性”。
重要发现
01自由活动状态下的脑氧合动态监测
传统脑成像技术（如双光子显微镜）依赖荧光标记且需固定动物头部，无法反映真实生理状态。光声纤维镜则通过双波长激光激发（532nm和558nm）和光纤超声传感器，实现了对清醒小鼠大脑的连续成像。实验中，研究人员观察到：当小鼠从麻醉状态苏醒并自由活动时，静脉血氧饱和度显著下降，这与脑耗氧量增加直接相关。更令人惊叹的是，该技术能捕捉到单个血管对高浓度CO2刺激的响应差异——动脉sO2上升、静脉sO2下降，这种精准的动态变化为理解神经血管耦合机制提供了直接证据。
在肥胖小鼠模型中，光声纤维镜发现其脑血管对缺氧刺激的反应明显减弱：血管直径变化幅度仅为健康小鼠的60%，血氧饱和度波动范围缩小30%。这一现象表明，肥胖可能通过损害血管内皮功能，导致脑血管自我调节能力下降。此外，研究还对比了麻醉与自由活动状态下小鼠的脑氧合响应差异——麻醉剂异氟烷会扩张血管、增加血流量，但同时也会掩盖部分病理信号，提示传统麻醉实验可能存在局限性。
03单血管分辨率的突破
光声纤维镜的横向分辨率高达9μm，足以分辨毛细血管级别的结构。通过光栅扫描技术（1.2mm×1.2mm视场），研究人员首次观察到小鼠脑皮层中动脉与静脉的氧合差异：动脉sO2约为90%，静脉则降至60%，这与理论值高度吻合。这种“血管级”的精准成像能力，为研究局部脑区的代谢活动提供了前所未有的细节。
创新与亮点
01从台式设备到可穿戴探头的革命性跨越
传统光声显微镜体积庞大，需固定动物头部，而光声纤维镜通过光纤激光器的声光调制技术和MEMS微机电扫描器，将整个成像系统压缩至4.5克，仅相当于小鼠体重的5%。其头戴式设计借助永磁体与小鼠颅骨固定，光纤采用抗缠绕材料，确保小鼠在自由活动时仍能保持稳定成像。这一突破彻底解决了传统技术对动物行为的限制，使长期动态研究成为可能。
与依赖荧光标记的技术（如双光子显微镜）不同，光声纤维镜利用血红蛋白对激光的内源性吸收特性，直接实现血氧饱和度的量化。这意味着无需对动物进行复杂的基因改造或注射外源性造影剂，既简化了实验流程，又避免了标记物对生理状态的干扰。例如，在缺氧实验中，研究人员无需额外标记即可实时观察到血红蛋白氧合状态的变化，大大提高了数据的真实性。
03多参数融合的功能成像
除血氧饱和度外，光声纤维镜还能同步测量血红蛋白浓度、血管直径和氧摄取分数（OEF）等参数。通过双波长光声信号解算算法，系统可精确区分氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的贡献，进而计算出OEF——这一反映组织氧代谢效率的关键指标。这种“一站式”功能成像能力，为揭示脑功能与代谢的关系提供了多维数据支持。
总结与展望
光声纤维镜的诞生标志着脑成像技术从“静态观察”向“动态解析”的重大转变。其可穿戴性、高分辨率和多参数测量能力，不仅为自由活动动物模型的研究提供了理想工具，也为人类脑疾病（如中风、阿尔茨海默病）的病理机制探索开辟了新方向。未来，该技术有望与其他成像模态（如双光子显微镜）结合，实现神经活动与血管功能的同步观测；同时，进一步优化探头灵敏度和成像速度，可拓展至更深层脑组织或更复杂行为范式的研究。
从基础科研到临床转化，光声纤维镜的应用前景广阔。例如，在急重症医学中，它可用于实时监测患者脑氧合状态，指导精准治疗；在药物研发中，它能评估候选药物对脑血管的作用效果。随着技术的不断迭代，我们有理由相信，光声纤维镜将成为解开大脑奥秘的“金钥匙”，推动神经科学与医学领域的跨越式发展。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Zhong X, Liang Y, Wang X, Lan H, Bai X, Jin L, Guan BO. Free-moving-state microscopic imaging of cerebral oxygenation and hemodynamics with a photoacoustic fiberscope. Light Sci Appl.
DOI:10.1038/s41377-023-01348-3.