融合磁共振光声断层扫描成像技术揭示总血红蛋白与氧合血红蛋白组功能
2026-01-28 来源:本站 点击次数:54本研究通过融合磁共振成像（fMRI）与功能光声成像（fOA）技术，构建了一种新型混合磁共振光声断层扫描（MROT）平台，实现了对小鼠全脑静息态功能连接（rsFC）的多参数同步观测。该技术首次在体、无创地同步获取了血氧水平依赖（BOLD）信号与多种血红蛋白组分（氧合血红蛋白HbO、脱氧血红蛋白HbR、总血红蛋白HbT）的动态变化，为解析神经血管耦合机制及BOLD信号的生理起源提供了前所未有的多模态数据支撑。
本研究成果由Irmak Gezginer、Zhenyue Chen、Hikari A.I. Yoshihara、Xosé Luis Deán-Ben、Valerio Zerbi 及 Daniel Razansky 共同完成，论文题为“Concurrent optoacoustic tomography and magnetic resonance imaging of resting-state functional connectivity in the mouse brain”在《Nature Communications》期刊上线发表。
重要发现
01多模态平台实现高精度功能连接同步成像
本研究核心创新在于搭建了可同步进行fMRI与fOA数据采集的MROT系统。该系统将光声成像模块集成于9.4 T高场强MRI扫描仪内，通过五波长（700, 730, 755, 800, 850 nm）激光激发与384阵元超声探头接收，以100 μm各向同性分辨率及1秒时间分辨率，同步捕获全脑BOLD信号与血红蛋白浓度变化。所有数据均通过Allen小鼠脑通用坐标框架进行空间标准化，确保了多模态数据的精确比对。
通过种子点分析方法，研究团队发现BOLD与fOA衍生的HbO、HbR、HbT组分在静息态功能连接图上呈现高度空间重叠的双侧相关性。特别值得注意的是，在分析不同血红蛋白组分与BOLD信号的关联强度时，HbT（总血红蛋白）与HbO（氧合血红蛋白）显示出比HbR（脱氧血红蛋白）更强的相关性。例如，在初级体感区、初级运动区和初级视觉区种子点中，HbT与BOLD的线性相关系数分别达到0.71、0.62和0.81，而HbR仅为0.66、0.59和0.76。这一发现挑战了传统认为BOLD信号主要受HbR变化驱动的观点。
03独立成分分析验证皮层与边缘系统网络识别能力
通过独立成分分析（ICA），研究从BOLD数据中识别出17个具有解剖意义的功能网络，覆盖皮层、基底节、边缘系统和小脑区域。而fOA组分（HbO、HbR、HbT）则成功识别出10个静息态网络，主要集中在皮层和边缘系统。虽然fOA对深部脑区的灵敏度受限，但其在表层脑区识别出的网络（如初级体感区、次级运动区、眶内侧区等）与BOLD结果高度一致，验证了fOA在功能网络识别方面的可靠性。
04反连接分析凸显血红蛋白组分的差异化表现
在负连接（反相关性）分析中，HbT和HbO与BOLD信号的空间相似性显著高于HbR。HbT在负连接中的归一化互相关系数达到0.302±0.007，而HbR仅为0.254±0.007。这一发现表明，在表征脑区间的抑制性功能连接时，HbT可能提供比传统HbR更可靠的生物标志物。
创新与亮点
01突破传统成像模态的局限性
传统fMRI技术虽然能够全脑无创成像，但BOLD信号的解释受到血流、血容量、氧代谢率等多因素影响，其生理起源一直存在争议。而单纯的光学成像技术（如近红外光谱、内源性信号光学成像）则受限于组织散射，难以实现深部脑区的高分辨率成像。本研究通过MROT平台成功克服了这些限制，实现了两种模态的优势互补。
研究首次在静息态功能连接研究中同步对比了三种血红蛋白组分与BOLD信号的关联特性。发现HbT（反映局部血容量变化）与BOLD信号的高度一致性，提示脑血管容积变化在功能连接中可能扮演着比传统认知更重要的角色。这一发现为理解神经血管耦合机制提供了新视角。
03推动生物医学成像向多模态融合发展
该技术平台的实际价值体现在其对神经科学研究和临床转化的推动潜力。在基础研究层面，它为解析神经血管耦合机制提供了全新工具；在临床应用前景上，这种多模态成像策略有望为阿尔茨海默病、帕金森病等神经疾病的生物标志物发现提供更精准的成像手段。特别是对脑血管功能障碍相关疾病的机制研究，这种能够同时监测血氧与血容量动态变化的技术具有独特优势。
总结与展望
本研究通过创新性的磁共振光声断层扫描技术，成功实现了对小鼠大脑静息态功能连接的多参数同步成像，揭示了总血红蛋白与氧合血红蛋白组分在功能连接分析中相较于脱氧血红蛋白的优越性。这一发现不仅挑战了传统对BOLD信号生理基础的认知，也为理解神经血管耦合机制提供了重要实验证据。未来研究可进一步优化光传输效率，提升对深部脑区的成像能力；同时，将荧光成像与MROT技术结合，有望实现从单个神经元到全脑网络的多尺度功能连接分析，为揭示大脑工作原理提供更加全面的技术支撑。
声明：本文仅用作学术目的。
Gezginer I, Chen Z, Yoshihara HAI, Deán-Ben XL, Zerbi V, Razansky D. Concurrent optoacoustic tomography and magnetic resonance imaging of resting-state functional connectivity in the mouse brain. Nat Commun. 2024 Dec 30;15(1):10791.
DOI:10.1038/s41467-024-54947-y.