一种基于线性换能器阵列的混合显微镜（LiTA-HM）助力定位癫痫灶
2025-08-08 来源:本站 点击次数:32本研究由刘良剑、徐志强、赖振杰等学者共同完成，论文题为《Photoacoustic and fluorescence hybrid microscope for cortex-wide imaging of neurovascular dynamics with subcellular resolution》，于2025年7月发表于《Science Advances》。
重要发现
01技术原理与成像性能
LiTA-HM通过创新性设计实现了光声与荧光模态的无缝整合：
线性换能器阵列：8个微型高频传感器（中心频率40 MHz）以特定间距排布，扩展探测视场至6 mm。配合加权平均算法提升信噪比1.6倍，并通过图像重建算法优化血管结构与血氧饱和度成像。
高速扫描系统：定制16面体多边形扫描镜实现1.3 kHz线扫描速率，结合4f光学系统与水浸物镜，确保衍射极限分辨率（~6 μm）与大景深。
02皮层级神经血管动态观测在清醒小鼠静息态实验中：
同步多参数成像：PAM获取全皮层血管灌注强度、血氧饱和度（sO₂）图谱，CFM标记GCaMP6s钙指示剂记录神经元活动。
亚细胞分辨率：系统可分辨直径<10 μm的毛细血管及单个神经元胞体，并通过自动分割算法量化数千个神经元与血管分支的动态。
03神经血管耦合响应机制通过刺激实验揭示不同生理状态下的NVC特征：
缺氧刺激：神经元响应分为四类（激活/抑制/延迟激活/无响应），动脉扩张（峰值41%）早于神经元活动约10.8秒，提示血管反应可能触发神经能量储备调动。
麻醉刺激：神经元活动与静脉血氧饱和度呈负相关，不同皮层区域响应延迟存在异质性。
04癫痫扩散波的神经血管关联在药物诱导癫痫模型中：
皮层级传播可视化：癫痫波（SD）绕过病毒注射位点扩散，钙信号沿特定路径传播。
血流动力学响应：癫痫发作期动脉短暂扩张，静脉血氧饱和度显著下降，反映神经元活动耗氧量激增。
功能连接重构：癫痫事件中神经元相关性网络从均匀分布转为局部强连接，血流灌注强度与神经活动高度同步。
创新与亮点
01突破多模态成像技术瓶颈
LiTA-HM通过三大创新解决领域难题：
视场-分辨率矛盾：微型换能器阵列突破传统光声显微镜检测范围限制（>2 mm²），实现6×5 mm²大视场下亚细胞分辨率。
速度-灵敏度平衡：多边形扫描镜技术将成像速度提升至0.8秒/帧，比机械扫描系统快30倍以上，满足神经活动毫秒级动态捕捉需求。
多参数同步采集：光路共享设计确保PAM（血管结构/血氧）与CFM（神经元钙信号）像素级对齐，避免后处理配准误差。
02推动神经科学研究范式变革从局部到全景：首次实现清醒动物皮层范围内"单神经元-单血管"级交互作用的实时观测，克服传统双光子显微镜视场局限（<1 mm）。
从结构到机制：通过血流灌注强度、血管直径、血氧饱和度与钙瞬变的同步量化，揭示神经活动与血氧代谢的因果时序关系（如缺氧中血管响应先于神经元11秒）。
从生理到病理：在癫痫模型中捕捉到扩散波的血流导向特征，为临床定位癫痫灶提供新思路——动脉短暂扩张或成无创诊断生物标志物。
总结与展望
LiTA-HM通过光路-声路协同优化，首次实现清醒哺乳动物全皮层神经血管耦合的高时空分辨率解析。其线性换能器阵列与高速光学扫描设计，为活体多尺度脑研究树立了新标准。该系统成功捕捉到缺氧、麻醉及癫痫事件中神经活动与血流动力学的复杂耦合规律，尤其揭示了癫痫扩散波的血流导向特征，为脑疾病机制研究提供全新视角。
未来工作将聚焦三方面：
技术升级：应用透明换能器简化光声整合路径，开发轮廓扫描解决皮层曲率成像限制。
机制探索：结合光遗传学与特异性神经元标记技术，解析兴奋/抑制性神经元在NVC中的差异化作用。
疾病应用：拓展至脑卒中、阿尔茨海默症等神经血管耦合异常疾病模型，推动精准诊疗策略开发。
该技术的开放性与可拓展性，有望成为神经科学、药效评价及脑机接口研究的核心工具，助力解密大脑奥秘。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Liu L, Xu Z, Lai Z, Xu B, Wu T, Ma G, Zhang H, Li J, Ma W, Lei T, Li X, Guo Z, Song Z, Chen N, Ye S, Meng J, Lai P, Shen F, Chang J, Zhu Y, Zheng H, Zheng W, Liu C. Photoacoustic and fluorescence hybrid microscope for cortex-wide imaging of neurovascular dynamics with subcellular resolution. Sci Adv. 2025 Jul 25;11(30):eadw5275.
DOI:10.1126/sciadv.adw5275.