融合磁共振光聲斷層掃描成像技術(shù)揭示總血紅蛋白與氧合血紅蛋白組功能

本研究通過融合磁共振成像（fMRI）與功能光聲成像（fOA）技術(shù)，構(gòu)建了一種新型混合磁共振光聲斷層掃描（MROT）平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠全腦靜息態(tài)功能連接（rsFC）的多參數(shù)同步觀測(cè)。該技術(shù)首次在體、無創(chuàng)地同步獲取了血氧水平依賴（BOLD）信號(hào)與多種血紅蛋白組分（氧合血紅蛋白HbO、脫氧血紅蛋白HbR、總血紅蛋白HbT）的動(dòng)態(tài)變化，為解析神經(jīng)血管耦合機(jī)制及BOLD信號(hào)的生理起源提供了前所未有的多模態(tài)數(shù)據(jù)支撐。

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，論文題為“Concurrent optoacoustic tomography and magnetic resonance imaging of resting-state functional connectivity in the mouse brain”在《Nature Communications》期刊上線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01多模態(tài)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度功能連接同步成像
本研究核心創(chuàng)新在于搭建了可同步進(jìn)行fMRI與fOA數(shù)據(jù)采集的MROT系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光聲成像模塊集成于9.4 T高場(chǎng)強(qiáng)MRI掃描儀內(nèi)，通過五波長(zhǎng)（700, 730, 755, 800, 850 nm）激光激發(fā)與384陣元超聲探頭接收，以100 μm各向同性分辨率及1秒時(shí)間分辨率，同步捕獲全腦BOLD信號(hào)與血紅蛋白濃度變化。所有數(shù)據(jù)均通過Allen小鼠腦通用坐標(biāo)框架進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化，確保了多模態(tài)數(shù)據(jù)的精確比對(duì)。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破傳統(tǒng)成像模態(tài)的局限性
傳統(tǒng)fMRI技術(shù)雖然能夠全腦無創(chuàng)成像，但BOLD信號(hào)的解釋受到血流、血容量、氧代謝率等多因素影響，其生理起源一直存在爭(zhēng)議。而單純的光學(xué)成像技術(shù)（如近紅外光譜、內(nèi)源性信號(hào)光學(xué)成像）則受限于組織散射，難以實(shí)現(xiàn)深部腦區(qū)的高分辨率成像。本研究通過MROT平臺(tái)成功克服了這些限制，實(shí)現(xiàn)了兩種模態(tài)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

總結(jié)與展望
本研究通過創(chuàng)新性的磁共振光聲斷層掃描技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠大腦靜息態(tài)功能連接的多參數(shù)同步成像，揭示了總血紅蛋白與氧合血紅蛋白組分在功能連接分析中相較于脫氧血紅蛋白的優(yōu)越性。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)對(duì)BOLD信號(hào)生理基礎(chǔ)的認(rèn)知，也為理解神經(jīng)血管耦合機(jī)制提供了重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)。未來研究可進(jìn)一步優(yōu)化光傳輸效率，提升對(duì)深部腦區(qū)的成像能力；同時(shí)，將熒光成像與MROT技術(shù)結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)從單個(gè)神經(jīng)元到全腦網(wǎng)絡(luò)的多尺度功能連接分析，為揭示大腦工作原理提供更加全面的技術(shù)支撐。

DOI:10.1038/s41467-024-54947-y.