高分辨率fUS-ULM成像技術(shù)在探究衰老過程中大腦變化的應(yīng)用

2025年9月14日，由美國俄克拉荷馬大學(xué)健康科學(xué)中心Stefano Tarantini教授的研究團(tuán)隊(duì)在Advanced Science期刊上發(fā)表了題為 “A Minimally Invasive Framework Reveals Region-Specific Cerebrovascular Remodeling in Aging Using Intravital Functional Ultrasound Imaging and Ultrasound Localization Microscopy (fUS-ULM)” 的研究論文。

研究團(tuán)隊(duì)不僅成功構(gòu)建了一種結(jié)合功能超聲與超聲定位顯微鏡、通過慢性植入透明顱窗實(shí)現(xiàn)的微創(chuàng)高分辨率活體腦成像平臺(tái)，更利用該平臺(tái)揭示了衰老過程中大腦皮層、海馬體及白質(zhì)區(qū)域普遍存在但傳統(tǒng)技術(shù)難以精確量化的微血管結(jié)構(gòu)與功能重塑，并首次提出皮質(zhì)小動(dòng)脈-靜脈比率作為衰老相關(guān)腦血管結(jié)構(gòu)變化的新型生物標(biāo)志物。

研究的主要結(jié)果
本研究利用功能超聲聯(lián)合超聲定位顯微鏡這一微創(chuàng)活體成像平臺(tái)，通過TPX透明顱窗，對年輕（3-6月齡）與老年（24-28月齡）小鼠進(jìn)行了高分辨率腦血管成像（圖1），精確揭示了衰老過程中區(qū)域特異性的腦血管重構(gòu)。
 

圖1: 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與成像流程概覽
實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(A): 使用ICONEUS超聲探頭、超聲耦合劑和TPX顱窗進(jìn)行fUS成像。

實(shí)驗(yàn)對象與模式(B): 年輕組（3-6月齡）和老年組（24-28月齡）小鼠；感興趣區(qū)域：皮層、海馬體和白質(zhì)。

研究目標(biāo)可視化(C, D, E): C) 全腦血管密度，D) 靜息腦血流量，E) 功能性充血。

1、全腦及關(guān)鍵區(qū)域血管密度顯著下降逾20%
研究通過量化血管覆蓋的像素百分比，發(fā)現(xiàn)衰老導(dǎo)致廣泛的血管稀疏化（圖2）。與年輕小鼠相比，老年小鼠的全腦血管密度顯著降低。更為精細(xì)的區(qū)域分析顯示，大腦皮層的血管密度下降了約20%，海馬體的血管密度下降了近30%，而白質(zhì)區(qū)域的血管密度下降幅度最大，超過了30%。這些數(shù)據(jù)表明，與認(rèn)知功能密切相關(guān)的深部腦區(qū)在衰老過程中遭受了更為嚴(yán)重的血管網(wǎng)絡(luò)退化。
 

圖2: 衰老導(dǎo)致全腦及區(qū)域特異性血管密度下降

圖像轉(zhuǎn)換與區(qū)域選擇 (A): 將ICONEUS產(chǎn)生的灰度ULM圖像通過定制MATLAB腳本轉(zhuǎn)換為二值化血管圖。圖像中疊加了小鼠腦圖譜，以便在全腦、皮層、海馬體和白質(zhì)等特定區(qū)域進(jìn)行量化分析。

統(tǒng)計(jì)量化(B): 與年輕小鼠相比，老年小鼠在全腦、皮層、海馬體和白質(zhì)四個(gè)區(qū)域的血管覆蓋率（即血管密度）均出現(xiàn)極顯著的下降。

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2、腦血管平均直徑縮減超15%
通過對血管結(jié)構(gòu)的局部厚度分析，研究發(fā)現(xiàn)衰老導(dǎo)致血管普遍狹窄（圖3）。定量數(shù)據(jù)顯示，老年小鼠大腦皮層血管的平均直徑從年輕時(shí)的約16微米減小至約13.5微米，縮減幅度超過15%。在海馬體和白質(zhì)區(qū)域，也觀察到了類似的顯著減小趨勢。血管直徑分布頻率圖進(jìn)一步證實(shí)，老年大腦中較小直徑（例如半徑<10μm）的血管比例顯著增加。
 

圖3: 衰老引起關(guān)鍵腦區(qū)微血管直徑縮小

血管直徑彩色圖譜(A): 紫色代表小血管，黃色代表大血管。直觀顯示老年小鼠大腦中黃色區(qū)域減少，表明大血管比例下降。

直徑分布頻率(B): 在皮層、海馬體和白質(zhì)區(qū)域，老年小鼠的血管直徑分布向更小的尺寸偏移。

直徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(C): 老年小鼠在皮層、海馬體和白質(zhì)區(qū)域的平均血管直徑顯著小于年輕小鼠。

3、腦血流速度與流量呈現(xiàn)區(qū)域異質(zhì)性改變
研究通過追蹤微泡速度發(fā)現(xiàn)，衰老對血流動(dòng)力學(xué)的影響因腦區(qū)而異（圖4，5）。在大腦皮層，老年小鼠的平均血流速度從年輕時(shí)的約25 mm/s顯著增加至約32 mm/s。然而，在海馬體區(qū)域，血流速度從約20 mm/s顯著下降至約14 mm/s；在白質(zhì)區(qū)域，從約18 mm/s下降至約12 mm/s。結(jié)合血管直徑估算的靜息腦血流量顯示，盡管皮層速度增加，但其血流量未顯著變化，而海馬體和白質(zhì)區(qū)域的靜息腦血流量分別顯著下降了約40%和50%，揭示了這些區(qū)域的灌注不足。

圖4: 衰老改變區(qū)域性腦血流速度

速度圖譜與選區(qū) (A): 展示了由ICONEUS軟件基于微泡速度（0-100 mm/s）生成的速度圖，并標(biāo)明了用于分析的皮層、海馬體和白質(zhì)區(qū)域。

速度分布頻率 (B): 在皮層區(qū)域，老年小鼠的血流速度分布向更高速度偏移；而在海馬體和白質(zhì)區(qū)域，其分布則向更低速度偏移。

速度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) (C): 老年小鼠在皮層區(qū)的血流速度顯著增加，而在海馬體和白質(zhì)區(qū)的血流速度顯著下降。
 

圖5: 衰老導(dǎo)致海馬體與白質(zhì)靜息腦血流量下降

腦血流量彩色圖譜 (A): 直觀顯示老年小鼠海馬體和白質(zhì)區(qū)域的血流量減少。

腦血流量分布 (B): 年輕和老年小鼠在皮層、海馬體和白質(zhì)區(qū)域的腦血流量相對分布情況。

腦血流量統(tǒng)計(jì) (C): 老年小鼠在全腦、海馬體和白質(zhì)區(qū)域的靜息腦血流量顯著降低，而在皮層區(qū)域則無顯著變化。

4. 皮層小動(dòng)脈-小靜脈比率下降約25%
本研究創(chuàng)新性地量化了皮層穿透血管的動(dòng)脈-靜脈平衡（圖6）。結(jié)果顯示，年輕小鼠的皮層小動(dòng)脈-小靜脈比率約為0.45，而老年小鼠則顯著降至約0.34，降幅高達(dá)約25%。這一量化指標(biāo)表明，衰老過程中皮層微循環(huán)的動(dòng)脈輸入相對減少，可能破壞了正常的血流灌注與代謝廢物清除的平衡。

圖6: 衰老顯著降低皮層小動(dòng)脈-小靜脈比率

血管方向性分離 (A): 利用從ICONEUS軟件導(dǎo)出的Y方向血流圖，通過FIJI處理將小動(dòng)脈（紅色，血流朝向特定方向）與小靜脈（藍(lán)色，血流背離特定方向）分離開來。

AVR量化 (B): 通過MATLAB腳本量化皮層區(qū)域小動(dòng)脈和小靜脈的像素比例，并以柱狀圖顯示結(jié)果。結(jié)果表明，老年小鼠的AVR顯著低于年輕小鼠。

5、神經(jīng)血管耦合響應(yīng)幅度減半且延遲
通過fUS評估觸須刺激誘發(fā)的神經(jīng)血管耦合反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)老年小鼠的功能性充血響應(yīng)峰值幅度相比年輕小鼠降低了約50%。此外，年輕小鼠的腦血流響應(yīng)在刺激開始后約2-3秒達(dá)到峰值，而老年小鼠的峰值時(shí)間顯著延遲至約5-6秒。這些量化數(shù)據(jù)清晰地表明，衰老嚴(yán)重?fù)p害了神經(jīng)血管單元快速、有效地調(diào)節(jié)局部血流以滿足神經(jīng)元活動(dòng)需求的能力。
 

Figure 7: 衰老顯著削弱神經(jīng)血管耦合反應(yīng)

功能響應(yīng)圖像 (A): 以冠狀面和軸狀面圖像展示了年輕和老年小鼠在對側(cè)觸須刺激下，大腦體感皮層的腦血流量增加響應(yīng)。紅色區(qū)域的大小和強(qiáng)度代表了功能性充血的幅度。

響應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計(jì) (B): 與年輕小鼠相比，老年小鼠的功能性充血平均響應(yīng)強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度均顯著降低，而達(dá)到峰值所需的時(shí)間則顯著延長。

個(gè)體與平均響應(yīng)曲線 (C & D):C) 個(gè)體響應(yīng)軌跡: 繪制了所有年輕和老年小鼠個(gè)體對30秒刺激的腦血流量響應(yīng)曲線。D) 平均響應(yīng)曲線: 展示了年輕和老年小鼠組的平均腦血流量響應(yīng)曲線，清晰地顯示了老年組響應(yīng)幅度減小和延遲的現(xiàn)象。黃色矩形標(biāo)明了刺激時(shí)間窗口。

研究總結(jié)
本研究通過高分辨率的fUS-ULM成像技術(shù)，全面描繪了衰老過程中大腦腦血管在結(jié)構(gòu)和功能上的深刻變化，尤其揭示了海馬體和白質(zhì)區(qū)域的高度易損性，以及皮層可能存在的代償機(jī)制。

這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對血管性認(rèn)知障礙病理機(jī)制的理解，也為開發(fā)針對性的干預(yù)措施和評估其療效提供了強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái)和新的生物標(biāo)志物。

Negri S, Nyul-Toth A, Milan M, et al. A Minimally Invasive Framework Reveals Region-Specific Cerebrovascular Remodeling in Aging Using Intravital Functional Ultrasound Imaging and Ultrasound Localization Microscopy (fUS-ULM). Adv Sci (Weinh). 2025 Sep 14:e10754. doi: 10.1002/advs.202510754.

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