Duke Universitys biomedicinska ingenjörer har utvecklat en metod för realtidsskanning och avbildning av blodflöde och syrenivåer i mushjärnan med tillräcklig upplösning för att se aktiviteten i både enskilda kärl och hela hjärnan samtidigt.
Denna nya avbildningsmetod bryter långvarig hastighet och kritiska barriärer inom hjärnavbildningsteknologier och kan leda till nya insikter om neurovaskulära sjukdomar som stroke, demens och till och med akut hjärnskada.
Studien publicerades i 17 maj-numret av tidskriften Nature Ljus: Vetenskap och tillämpningar.
Att visualisera hjärnan är en balansgång. Instrumenten måste vara tillräckligt snabba för att fånga snabba händelser, såsom neuronal eld eller blod som strömmar från kapillärerna, och de måste verka på olika skalor, oavsett om de är i nivå med hela hjärnan eller en enda artär.
Junjie Yao, docent i biomedicinsk teknik vid Duke, sa: “Du kan uppnå dessa saker individuellt, men det är väldigt svårt att göra dem alla tillsammans.” ”Det är som att välja mellan en liten, snabb bil som är obekväm att sitta på, eller en stor, rymlig bil som inte går i 30 mil i timmen. Under lång tid fanns det inget sätt att få allt du ville ha på en gång. ”
I sin nya forskning diskuterar Yao och hans team hur de har löst denna långvariga tvist genom att utveckla ultraljudsfotoakustisk mikroskopi, eller UFF-PAM.
Ett fotoakustiskt mikroskop använder egenskaperna hos ljus och ljud för att fånga detaljerade bilder av organ, vävnader och celler i hela kroppen. Tekniken använder en laser för att skicka ljus till målvävnaden eller cellen. När lasern vidrör cellen värms den upp och expanderar omedelbart, vilket skapar en ultraljudsvåg som återgår till sensorn.
UFF-PAM bygger på en kombination av hårdvaruförbättringar och maskininlärningsalgoritmer för att förbättra tekniken. På hårdvarusidan skickar det polygonala skanningssystemet fler laserskurar till ett större område, medan den nya skanningsmekanismen låter laserskannern och ultraljudssensorn arbeta samtidigt. Enligt Yao har dessa förändringar fördubblat hastigheten på deras enhet, vilket gör UFF-PAM till den snabbaste bildtekniken i det fotoakustiska samhället.
Yao och hans team utvecklade senare en maskininlärningsalgoritm som förbättrade upplösningen på deras bilder. I tidigare experiment använde de mer än 400 bilder av mushjärnan som samlats in för att identifiera kärlsystemet i hjärnan. Även om varje hjärna är unik, lärde sig algoritmen hur man identifierar vanliga strukturer och använde denna kunskap för att fylla i tidigare saknade pixlar.
Yao sa: “De resulterande bilderna såg lika detaljerade ut som de högkvalitativa bilderna vi skulle få om vi gick långsammare, och vi behövde inte offra ett helt synfält.”
Som bevis på konceptet använde teamet UFF-PAM för att visualisera hur blodkärl i mushjärnan svarade på hypoxi, läkemedelsinducerad hypotoni och ischemisk stroke. Under hypoxiproblemet övervakade UFF-PAM hur syre rörde sig i hjärnan och visade att låga syrenivåer fick blodkärlen att vidgas.
I det andra samtalet använde teamet det vanliga läkemedlet natriumnitroprussid (SNP) för att behandla högt blodtryck. Tidigare trodde forskare att SNP orsakade vidgning av alla blodkärl i hjärnan. Yao och hans team visade dock att istället öppnades bara de större blodkärlen och de mindre blodkärlen smalnade.
“Eftersom vi snabbt får ett högkvalitativt utseende av små blodkärl, fann vi att utvidgning faktiskt inte är ett universellt svar på läkemedlet,” sa Yao. “Vi har upptäckt att dessa små blodkärl inte kan tillföra tillräckligt med syre och näringsämnen till vävnaden, och det är skadligt.”
I det senaste samtalet använde teamet UFF-PAM för att observera hur hjärnan reagerade på stroken och började återhämta sig. Omedelbart efter stroken märkte teamet att blodkärlen i det skadade området smalnade. Detta orsakar en förträngning av deras intilliggande kärl i ett fenomen som kallas en fortplantande depolarisationsvåg. Tack vare det breda synfältet och den höga bildhastigheten kunde teamet exakt bestämma startpositionen för vågen och spåra dess rörelse när den fortplantar sig över hjärnan.
När vi ser framåt strävar teamet efter att använda UFF-PAM för att undersöka ytterligare hjärnsjukdomsmodeller som demens, Alzheimers sjukdom eller till och med långvarig covid. De planerar också att utöka användningen av verktyget för att beskriva organ som hjärnan, levern och moderkakan. Eftersom dessa organ alltid var i rörelse hade de traditionellt svårt att ta bilder, så bildverktygen fick arbeta med högre hastighet.
“Det finns mycket vi kan göra med den här tekniken efter att ha löst dessa långvariga hinder,” sa Yao. “Vi försöker välja ut de svåraste projekten att arbeta med för att öka effekten av denna teknik.”
Denna studie genomfördes av National Institutes of Health (R01 EB028143, R01 NS111039, RF1 NS115581, R21 EB027304, R21EB027981, R43 CA243822, R43 CA2438022, R43 CA2438022, CAR341C Initiative, CAR341C Gran 2438022, R3431C, Gran 3431, CA2431C, R341C Initiative, R3431C Initiative, R341C Initiative, R341C Initiative, R3431C Initiative, R341C Initiative Vävnadsbild 2020-226178 av Community Foundation.
Referens: Zhu X, Huang Q, DiSpirito A och andra. Realtidsavbildning av hemodynamik och syresättning i mikrovaskulär upplösning med ultrasnabb bredarea fotoakustisk mikroskopi. Light Sci Appl. 2022; 11 (1): 138. doi: 10.1038 / s41377-022-00836-2
Den här artikeln har återpublicerats från följande material. Obs: Materialet kan redigeras efter längd och innehåll. Kontakta den nämnda källan för mer information.
