杜克大学的生物医学工程师开发了一种方法，可以实时扫描和成像小鼠大脑内的血流和氧气水平，其分辨率足以同时查看单个血管和整个大脑的活动。

     这种新的成像方法打破了大脑成像技术中长期存在的速度和分辨率障碍，并可能揭示对中风，痴呆甚至急性脑损伤等神经血管疾病的新见解。

    该研究于5月17日发表在《光：科学与应用》上。

      对大脑进行成像是一种平衡行为。工具需要足够快才能捕获快速事件，例如神经元放电或血液流过毛细血管，并且它们需要显示不同尺度的活动，无论是在整个大脑中还是在单个动脉的水平上。

       “你可以单独完成这些事情，但很难一起完成，”杜克大学生物医学工程助理教授姚俊杰说。“这就像选择拥有一辆小而不舒服的快速汽车，或者一辆每小时不超过30英里的大型宽敞汽车。很长一段时间以来，没有办法一次得到你想要的一切。

      在他们的新研究中，Yao和他的团队讨论了他们如何通过开发超快光声显微镜（UFF-PAM）来解决这一长期存在的权衡。

      光声显微镜利用光和声音的特性来捕获全身器官，组织和细胞的详细图像。该技术使用激光将光发送到目标组织或细胞中。当激光击中细胞时，它会加热并瞬间膨胀，产生超声波，然后传回传感器。

       UFF-PAM依靠硬件进步和机器学习算法的组合来升级技术。在硬件方面，多边形扫描系统将更多的激光脉冲发送到更大的区域，而新的扫描机制允许激光扫描仪和超声波传感器同时工作。根据Yao的说法，这些变化使他们的设备速度翻了一番，使UFF-PAM成为光声社区中最快的成像技术。

      然后，Yao和他的团队开发了一种机器学习算法，可以提高图像的分辨率。他们训练它使用在先前实验中收集的400多张小鼠大脑图像来识别大脑中的脉管系统。虽然每个大脑都是独一无二的，但该算法学会了如何识别常见结构，并利用这些知识来填充以前缺失的像素。

       “生成的图像看起来和我们通常以更慢的速度获得的高分辨率图像一样详细，我们不需要牺牲一个完整的视野，”姚说。

      作为概念的证明，该团队使用UFF-PAM来可视化小鼠大脑中的血管对缺氧，药物诱导的低血压和缺血性中风的反应。在缺氧挑战期间，UFF-PAM跟踪了氧气如何通过大脑移动，并表明低水平的氧气导致血管扩张。

     在第二个挑战中，该团队使用了药物硝普钠（SNP），该药物通常用于治疗高血压。以前，研究人员认为SNP会导致大脑中的所有血管扩张。但姚明和他的团队反而表明，只有较大的血管会张开，而较小的血管会收缩。

      “因为我们很快就获得了较小血管的高分辨率视图，我们看到扩张实际上并不是对药物的普遍反应，”姚说。“我们看到这些小血管无法为组织提供足够的氧气和营养，这造成了损害。

       在最后的挑战中，该团队使用UFF-PAM观察大脑对中风的反应并开始恢复。研究小组发现，中风后，受影响区域的血管立即收缩。这导致它们的邻近血管也收缩在一种称为扩散去极化波的现象中。由于大视场和高成像速度，该团队能够精确地确定波的起始位置，并跟踪其在整个大脑中传播的运动。

      展望未来，该团队的目标是使用UFF-PAM来探索其他脑部疾病模型，如痴呆，阿尔茨海默病甚至长期COVID。他们还计划将该工具的使用扩展到大脑之外，以成像心脏，肝脏和胎盘等器官。这些器官传统上很难成像，因为它们总是在运动，所以成像工具需要以更快的速度运行。

      “现在我们已经解决了这些长期存在的障碍，我们可以用这项技术做很多事情，”姚明说。“我们正试图选择最具挑战性的项目来工作，以最大限度地发挥这项技术的影响。