驅(qū)動(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究的新一代高分辨率工具之功能超聲成像的介紹

圖1 代表性原始數(shù)據(jù)（左）和處理后數(shù)據(jù)（右），顯示了在清醒動(dòng)物靜息狀態(tài)下，LPS 注射后 48 小時(shí)內(nèi)，連續(xù) 100 幅圖像中逐像素的腦血容量變化情況。

“化療腦霧”與微血管功能障礙：
紫杉醇的長(zhǎng)期影響^[2]
美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)在小鼠中進(jìn)行兩周期紫杉醇化療后，隨訪6個(gè)月，應(yīng)用功能超聲成像（fUS）和ULM對(duì)全腦微循環(huán)功能進(jìn)行評(píng)估。胡須刺激誘發(fā)的神經(jīng)血管反應(yīng)幅度顯著下降；ULM證實(shí)皮層和海馬微血管密度持續(xù)減少，同時(shí)大腦中動(dòng)脈平均血流速度顯著降低。結(jié)果提示，紫杉醇可導(dǎo)致持久的微血管結(jié)構(gòu)與功能損傷，這可能是化療相關(guān)認(rèn)知功能減退（CICI）的潛在機(jī)制。研究強(qiáng)調(diào)fUS/ULM結(jié)合的優(yōu)勢(shì)在于能夠非侵入、全腦、縱向追蹤血管健康變化，并提出未來(lái)可將微血管功能保護(hù)作為干預(yù)靶點(diǎn)，以緩解CICI的發(fā)生與發(fā)展。

圖2 紫杉醇治療會(huì)損害皮層的神經(jīng)血管耦合（NVC）反應(yīng)

多發(fā)性硬化動(dòng)物模型的功能超聲評(píng)估：
血流反應(yīng)作為潛在功能性指標(biāo)^[3]
來(lái)自法國(guó)巴黎的研究團(tuán)隊(duì)在小鼠銅離子螯合劑——cuprizone誘導(dǎo)的多發(fā)性硬化（MS）脫髓鞘模型中，利用功能超聲成像（fUS）首次評(píng)估了功能性血流反應(yīng)的變化。結(jié)果顯示：皮層活躍像素?cái)?shù)量增加，這些像素的穩(wěn)態(tài)腦血容量（CBV）逐漸升高，且血流反應(yīng)上升時(shí)間延長(zhǎng)。這三項(xiàng)指標(biāo)與髓鞘堿性蛋白（MBP）染色水平顯著相關(guān)，提示功能超聲成像（fUS）可定量反映髓鞘狀態(tài)。刺激后血流反應(yīng)增強(qiáng)可能反映了一種功能受損后的適應(yīng)性可塑性，與既往臨床觀察相一致。研究指出，功能超聲成像（fUS）適合在同一動(dòng)物上進(jìn)行長(zhǎng)期追蹤，有望將血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)變化發(fā)展為MS動(dòng)物模型的功能性生物標(biāo)志，用于藥物篩選和療效評(píng)估。

圖3 來(lái)自小鼠研究的功能超聲（fUS）圖像示例，時(shí)間跨度為 0–7 周，顯示了胡須刺激后腦血容量（CBV）的變化：(A) 為對(duì)照動(dòng)物；(C) 為經(jīng) cuprizone 處理并表現(xiàn)出多發(fā)性硬化（MS）特征性脫髓鞘的動(dòng)物；請(qǐng)注意在第 3 周和第 5 周時(shí)反應(yīng)的增強(qiáng)。

功能性超灌注的測(cè)量一致性：
fUS與激光散斑對(duì)比成像的比較^[4]
美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在年輕和老年小鼠上，比較了功能超聲成像（fUS）與激光散斑對(duì)比成像（LSCI）對(duì)胡須刺激誘發(fā)的功能性超灌注的測(cè)量結(jié)果。兩種方法的一致性極高（Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.92），且隨年齡增加，反應(yīng)幅度均明顯下降：LSCI由約10% 降至4%，fUS由約15% 降至4%。結(jié)果提示功能超聲成像（fUS）不僅是評(píng)估功能性超灌注的可靠替代，還因成像深度更大、靈敏度更高而在表層無(wú)法覆蓋的腦區(qū)具有優(yōu)勢(shì)。研究進(jìn)一步用ULM繪制微血管密度，并與免疫熒光染色結(jié)果對(duì)比，相關(guān)性良好（r=0.82），為功能超聲成像（fUS）在老齡相關(guān)血管功能障礙與神經(jīng)退行性疾病研究中的應(yīng)用提供了有力證據(jù)。

圖4  上：利用功能超聲（fUS）獲取的小鼠大腦額面和矢狀面圖像，展示了在動(dòng)物安裝顱窗 14 天后，對(duì)胡須刺激所產(chǎn)生的功能性充血反應(yīng)的比較。可以明顯看到，（上方）年輕動(dòng)物與（下方）老齡動(dòng)物之間反應(yīng)的下降。右：代表性的超聲定位顯微（ULM）血管圖，以及用于與激光散斑對(duì)比成像（LSCI）進(jìn)行比較的代表性 500 µm² 取樣區(qū)域。

靈長(zhǎng)類(lèi)自運(yùn)動(dòng)的單次試驗(yàn)解碼：
fUS 揭示全腦前庭網(wǎng)絡(luò)的高精度讀出^[5]
近期，一項(xiàng)在獼猴中開(kāi)展的研究利用功能超聲成像（fUS）從記錄的腦血容量（CBV）信號(hào)中解碼出動(dòng)物的真實(shí)物理自運(yùn)動(dòng)信息，并在全腦范圍描繪了高分辨率的前庭反應(yīng)圖譜。研究中，兩只獼猴接受顱窗植入，研究者將功能超聲成像（fUS）探頭固定于特定腦區(qū)，以 100 × 100 μm 的平面分辨率和 400 μm 的層厚，記錄 6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)誘發(fā)的腦血容量（CBV）變化。平臺(tái)以 0.5 Hz 正弦軌跡執(zhí)行平移或旋轉(zhuǎn)刺激，每次持續(xù) 6 秒、間隔 10 秒。

結(jié)果顯示，物理運(yùn)動(dòng)在經(jīng)典前庭相關(guān)皮層中引發(fā)了廣泛且穩(wěn)健的 CBV 增強(qiáng)。不同皮層區(qū)域的 CBV 峰值幅度在 8.9%–58.6% 之間，反映出顯著的空間分布差異�；�于線性判別分析（LDA）的解碼結(jié)果，在單次試驗(yàn)條件下，平移方向的解碼精度峰值可達(dá) 74%–79%，使用全程數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型時(shí)，精度進(jìn)一步提高至 82.1%和 76.95%。對(duì)于“平移與旋轉(zhuǎn)”的二分類(lèi)任務(wù)，解碼精度峰值分別為 93% 和 94.5%，在訓(xùn)練試驗(yàn)數(shù)超過(guò) 12 次時(shí)已達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著，并在約 75 次試驗(yàn)時(shí)趨于平臺(tái)。與經(jīng)顱電刺激前庭神經(jīng)（GVS）相比，物理運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的 CBV 響應(yīng)幅度更大，峰值出現(xiàn)更早，且 GVS 未能顯著激活 V3A、M1 和 7m 等區(qū)域。此外，多處前庭相關(guān)皮層對(duì)視覺(jué)光流刺激也有反應(yīng)，提示存在廣泛的前庭—視覺(jué)多模態(tài)整合網(wǎng)絡(luò)。

圖5 研究中同時(shí)被視覺(jué)和物理運(yùn)動(dòng)刺激激活的腦區(qū)。

(A) 視覺(jué)條件下的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及高斯速度曲線。
(B 和 C) 前庭條件與視覺(jué)條件下腦血容量（CBV）變化的比較（B）以及兩種條件間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（C）。
(D) 視覺(jué)條件（上）和前庭條件（下）的示例激活圖。
該研究首次在靈長(zhǎng)類(lèi)模型中證明了 fUS 能夠在真實(shí)自運(yùn)動(dòng)條件下，以單次試驗(yàn)精度解碼復(fù)雜前庭信息，并繪制全腦范圍的功能反應(yīng)圖譜。這不僅拓展了對(duì)靈長(zhǎng)類(lèi)前庭功能組織的理解，也為利用 fUS 開(kāi)展高精度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別及神經(jīng)解碼研究奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。

從實(shí)驗(yàn)室到臨床：
fUS 技術(shù)的核心原理與 Iconeus One 平臺(tái)實(shí)踐
近年來(lái)，功能性超聲（fUS）的迅速崛起，源于其在時(shí)間與空間分辨率上的雙重飛躍。在成像原理上，fUS 通過(guò)平面波或發(fā)散波以每秒數(shù)千幀的速率并行采集信號(hào)，并經(jīng)軟件重建聚焦，大幅提升對(duì)慢速血流的探測(cè)能力——其靈敏度較常規(guī)功率多普勒提高約50 倍。這種基于神經(jīng)血管耦合的讀出方式，使功能性超聲（fUS）既能獲得約100 μm的空間分辨率和100 ms的時(shí)間分辨率，又能探測(cè)低至1 mm/s的流速變化。同時(shí)，功能性超聲（fUS）不僅能在清醒、自由活動(dòng)的動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)單次試驗(yàn)的功能圖譜與靜息態(tài)功能連接分析，還在術(shù)中導(dǎo)航與新生兒床旁監(jiān)測(cè)等臨床情境中展現(xiàn)出潛力。打破了傳統(tǒng)功能磁共振成像（fMRI）的諸多應(yīng)用瓶頸，也突破了光學(xué)成像受組織穿透深度限制的天花板^[6]。

作為推動(dòng)功能性超聲（fUS）技術(shù)應(yīng)用的重要力量，總部位于巴黎的 Iconeus 致力于將這一技術(shù)從科研實(shí)驗(yàn)室?guī)�入神�?jīng)科學(xué)常規(guī)研究。其旗艦系統(tǒng) Iconeus One 面向臨床前研究，支持在清醒或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)物中進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)集成了平面波成像工作站、四軸電動(dòng)掃描平臺(tái)以及可視化友好的軟件套件，涵蓋從實(shí)驗(yàn)設(shè)置與采集（IcoScan）到后處理與腦圖譜配準(zhǔn)（IcoStudio）的全流程工作流。

在應(yīng)用場(chǎng)景上，Iconeus One 已廣泛用于功能神經(jīng)影像、靜息態(tài)連接分析、神經(jīng)藥理及腦血管研究等領(lǐng)域，且已有相當(dāng)多的相關(guān)研究數(shù)據(jù)獲得公布。這一平臺(tái)的出現(xiàn)，使得功能性超聲（fUS）技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠被穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用于多樣化的神經(jīng)科學(xué)研究，并逐步延伸至臨床研究前沿^[7]。

最后，如果您希望進(jìn)一步了解功能性超聲（fUS）與超聲定位顯微成像（ULM）技術(shù)，或想討論在自己的研究領(lǐng)域使用相關(guān)技術(shù)的可行性或方式，歡迎您登錄我們的網(wǎng)站或隨時(shí)與我們?nèi)〉寐?lián)系！
 

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