高分辨率全腦功能性超聲成像技術(shù)在探究小鼠神經(jīng)血管衰老機(jī)制中的應(yīng)用

注：本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“易科優(yōu)思ICONEUS”

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采納一項(xiàng)新的腦部成像技術(shù)對(duì)于科研而言是一項(xiàng)顯著的進(jìn)步，而其帶來(lái)的成果也足以證明其價(jià)值。此次，我們專訪了 Stefano Tarantini 教授，他的團(tuán)隊(duì)自 2022 年安裝 Iconeus One 系統(tǒng)以來(lái)，已在小鼠腦部衰老機(jī)制研究中取得了新的突破性成果。我們將詳細(xì)介紹該團(tuán)隊(duì)如何使用功能性超聲（fUS）和超聲定位顯微鏡（ULM）技術(shù)。同時(shí)，我們也闡釋了該系統(tǒng)在掃描深度、高分辨率以及適用于縱向研究方面的特性。這些特征，也是其能夠助力科研成功的關(guān)鍵所在。

在臨床前腦部成像領(lǐng)域，要找到分辨率、掃描深度和易用性之間的“最佳平衡點(diǎn)”是件棘手的事情。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Stefano Tarantini 教授應(yīng)當(dāng)比大多數(shù)研究者都有更加豐富的經(jīng)驗(yàn)，他在俄克拉荷馬大學(xué)健康科學(xué)中心（University of Oklahoma Health Sciences Center）的職業(yè)生涯涉及運(yùn)用多種成像技術(shù)，其中功能性超聲（fUS）是最新加入研究的一種。

Tarantini 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，專注于理解大腦在衰老過(guò)程中發(fā)生的變化，特別是與阿爾茨海默病及相關(guān)癡呆癥（ADRD）有關(guān)的變化。Tarantini 教授表示，其中一種變化是腦血管會(huì)隨著時(shí)間推移變得狹窄且密度降低，他們工作的一個(gè)重點(diǎn)是檢查這種“稀疏化”是否促成了 ADRD 的發(fā)病機(jī)制。

01 不同的成像方法，各有所長(zhǎng)
Different imaging methods, different benefits
Tarantini 教授指出，傳統(tǒng)上研究這些血管網(wǎng)絡(luò)通常需要使用免疫化學(xué)工具對(duì)血管標(biāo)記物進(jìn)行染色 。這種方法可以生成非常精確的血管圖譜，但代價(jià)是必須終止動(dòng)物的生命 。而另一種選擇是對(duì)活體動(dòng)物使用成像技術(shù)，但問(wèn)題在于涉及認(rèn)知障礙的腦區(qū)都位于大腦深部 。例如，研究人員經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)之一雙光子顯微鏡，就無(wú)法觸及記憶中心（海馬體）和白質(zhì)區(qū)域。因此，難以實(shí)現(xiàn)良好的腦部穿透性一直是領(lǐng)域的一個(gè)主要限制 。

另一方面，盡管被學(xué)界廣泛被認(rèn)為是腦成像“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的核磁共振（MRI），可以達(dá)到所需的成像深度 。但在這種情況下，其缺點(diǎn)在于圖像分辨率不高，同時(shí)MRI的購(gòu)買成本高昂、在研究機(jī)構(gòu)也往往難以獲得日常使用權(quán)限 。

02 功能性超聲（fUS）的初次邂逅
Getting acquainted with fUS
因此，當(dāng) Tarantini 教授在  2022  年了解到  Iconeus One fUS  成像系統(tǒng)時(shí)，就立即產(chǎn)生了興趣：“我聯(lián)系了 Iconeus，并立即開始與他們討論Iconeus One潛在的應(yīng)用價(jià)值。”Tarantini 教授如是說(shuō)。

在那個(gè)階段，Tarantini 教授團(tuán)隊(duì)最大的興趣點(diǎn)在于Iconeus 的 ULM 功能 。該技術(shù)利用微泡增強(qiáng)對(duì)比度，從而能夠?qū)崿F(xiàn) 5 微米（5 µm）級(jí)別的血管成像分辨率 。Tarantini 教授解釋說(shuō)：“從一開始，我們就意識(shí)到了這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力” ，Tarantini 教授指出， Iconeus One 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是能夠在一張圖像中捕捉多個(gè)腦區(qū) 。 “它似乎就是研究小鼠腦血管系統(tǒng)最合適的儀器” 。

圖1Tarantini 教授和 Sharon Negri 博士在俄克拉荷馬大學(xué)健康科學(xué)中心（OUHSC）的實(shí)驗(yàn)室中，與 Iconeus One fUS 系統(tǒng)合影

在確信 Iconeus 設(shè)備的優(yōu)勢(shì)后，Tarantini 教授表示后續(xù)工作進(jìn)展得相當(dāng)迅速。Tarantini 教授首先提交了儀器購(gòu)置的資助申請(qǐng)并獲得了批準(zhǔn)，隨后親自前往 Iconeus 位于巴黎的工廠，親眼考察了 Iconeus One 。Tarantini 教授提到：“購(gòu)買一臺(tái)新儀器，特別是來(lái)自海外的儀器有時(shí)候可能會(huì)有些令人感到擔(dān)心，但 Iconeus 的每一位工作人員都花費(fèi)了很多時(shí)間以幫助后續(xù)工作有序進(jìn)行” 。Tarantini 教授還在巴黎親眼看到了自己即將要獲得的設(shè)備：“我有機(jī)會(huì)親眼看到設(shè)備在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)行過(guò)程，而不是僅僅查看之前采集的數(shù)據(jù)，這讓人感到很放心” Tarantini 教授說(shuō)道。

最終，該儀器于 2022 年 12 月成功運(yùn)抵 。Iconeus還為Tarantini 教授本人及其實(shí)驗(yàn)室的博士后 Sharon Negri 博士提供的培訓(xùn)，Tarantini 教授贊不絕口的表示 ：“Iconeus 提供了親身實(shí)踐的體驗(yàn) ，使我們有充足的時(shí)間嘗試所有的特性和功能 ，因此到培訓(xùn)結(jié)束時(shí)，我們已經(jīng)對(duì)使用這臺(tái)機(jī)器相當(dāng)有信心了 。”

03 全腦成像：洞察深層機(jī)制
Whole-brain imaging for profound insights
接下來(lái)，我們一起看看Tarantini 教授研究團(tuán)隊(duì)在使用他們的 Iconeus One 系統(tǒng)開展工作的。Tarantini 教授表示，他們的第一個(gè)項(xiàng)目是驗(yàn)證利用 ULM 技術(shù)，研究老年小鼠深層血管網(wǎng)絡(luò)的可行性。他們使用了一種聚合顱窗的方式，以在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致的成像 。這項(xiàng)研究成為了該團(tuán)隊(duì)使用 Iconeus One 系統(tǒng)研究并發(fā)表的第一篇論文[1]，距離他們收到儀器僅僅 18 個(gè)月后，該論文于 2024 年 5 月成功發(fā)表。正如該研究中提到的，Tarantini 教授表示，ULM 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它允許在同一只個(gè)體身上進(jìn)行長(zhǎng)期的血管成像 ：“進(jìn)行這種縱向研究的能力對(duì)我們非常重要，因?yàn)槲覀兛梢跃�確地看到干預(yù)措施如何影響腦血管的結(jié)構(gòu)和功能” 。

在此之后，Tarantini 教授和 Negri 博士已將注意力轉(zhuǎn)向進(jìn)行病理生理學(xué)研究 。他們的其中一項(xiàng)研究聚焦于已知的癌癥藥物對(duì)認(rèn)知功能的影響，即所謂的“化療腦”。為此，他們對(duì)經(jīng)紫杉醇處理的小鼠同時(shí)使用了 ULM 和“標(biāo)準(zhǔn)”fUS 技術(shù) 。研究發(fā)現(xiàn)，微血管密度以及對(duì)觸須刺激的腦血流變化幅度均出現(xiàn)降低[2] 。他們的最新論文驗(yàn)證了使用 fUS 評(píng)估衰老小鼠模型中功能性充血的可行性，同時(shí)還利用 ULM 跟蹤了隨時(shí)間推移發(fā)生的與年齡相關(guān)的血管密度變化 [3]。

圖2 Tarantini 教授團(tuán)隊(duì)使用 Iconeus One 上的 ULM 技術(shù)獲得的小鼠腦血管圖譜示例 。該圖像顯示了皮層（紫色）和海馬（藍(lán)色）區(qū)域 ，并展示了該技術(shù)覆蓋范圍的分辨率、靈敏度和深度 。經(jīng)作者許可轉(zhuǎn)載[2] 

04 易用型設(shè)備設(shè)計(jì) 全方位技術(shù)支持
Easy-to-use equipment with responsive support
Tarantini 教授表示，在迄今為止所有已完成的工作中，他從實(shí)際操作的角度對(duì)Iconeus One系統(tǒng)感到非常滿意 ：“Negri 博士和我都發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量完全符合預(yù)期，而且易用性一直很高 ——這臺(tái)儀器相對(duì)直觀，界面也很容易上手 。你無(wú)需成為一名超聲工程師或擁有豐富的信號(hào)處理經(jīng)驗(yàn)，你可以直接即插即用，然后開始處理數(shù)據(jù)！” 。

Tarantini 教授解釋說(shuō)，為了開展大部分工作，研究團(tuán)隊(duì)一直使用 IcoPrime-4D MultiArray 探頭 ，這是一種專用于小鼠三維全腦成像的高靈敏度探頭 。他表示，這對(duì)捕獲神經(jīng)血管耦合中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的選擇 ：“它非常有效、可靠，并且能夠快速、高質(zhì)量地完成成像，它一直是我們的主要主力設(shè)備” 。Tarantini 教授補(bǔ)充道，最重要的是 Iconeus 工作人員提供幫助的及時(shí)性和速度 。“他們的客戶服務(wù)一直非常響應(yīng)迅速 ——無(wú)論我們何時(shí)遇到疑問(wèn)，總能找到可以聯(lián)系到的人。”

05 源源不斷的科研洞察
A steady stream of research insights
Tarantini 教授表示，上述提到的三篇論文僅僅是開始，他的團(tuán)隊(duì)還有一系列令人期待的計(jì)劃以及正在進(jìn)行中的項(xiàng)目 。其中一個(gè)感興趣的領(lǐng)域是更深入的模態(tài)比較，重點(diǎn)關(guān)注 fUS 和激光散斑對(duì)比成像探究小鼠神經(jīng)血管耦合的能力 。

他們也在探究 fUS 是否能用于確定飲食干預(yù)對(duì)神經(jīng)血管耦合的影響 ，Tarantini 教授指出，迄今為止，這一點(diǎn)尚未得到證實(shí) 。他表示，另一個(gè)感興趣的領(lǐng)域是功能連接組學(xué)：“如果不使用 MRI 設(shè)備，這相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)，但 Iconeus 確實(shí)提供了一個(gè)框架，可以準(zhǔn)確且持續(xù)地解決大腦中的功能連接組學(xué)如何隨著衰老而變化的問(wèn)題，我認(rèn)為這是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域” 。

圖3 Tarantini 實(shí)驗(yàn)室 Iconeus One 系統(tǒng)的細(xì)節(jié)圖，展示了主機(jī)（底部），周圍環(huán)繞著氣體麻醉分配器（異氟醚）和自動(dòng)觸須刺激裝置，所有設(shè)備均放置在抗振臺(tái)上的電動(dòng)掃描站下方。

06 fUS: 分辨率與覆蓋范圍完美平衡
fUS: A perfect balance of resolution and coverage
最后，Tarantini 教授如何看待 fUS 在更廣泛的腦部成像技術(shù)陣列中的定位呢？Tarantini 教授表示：“Iconeus One 毫無(wú)疑問(wèn)在時(shí)空分辨率和穿透深度之間提供了一個(gè)良好的平衡點(diǎn) 。但它真正出彩的地方是，當(dāng)你想要快速獲取全腦快照時(shí)，無(wú)論是觀察腦血管結(jié)構(gòu)，還是研究影響腦血管動(dòng)態(tài)的變化 ，它都可以滿足你的需求”

作為一位始終對(duì)新技術(shù)，特別是成像技術(shù)抱有濃厚興趣的學(xué)者，Tarantini 教授熱切期盼著 Iconeus 團(tuán)隊(duì)的下一次創(chuàng)新 ：“我期待著嘗試新的探頭和軟件功能，以便從數(shù)據(jù)中獲取更多信息 ——從而更好地理解那些最終影響我們所有人的生理衰老過(guò)程 。”

圖4 Stefano Tarantini 教授 俄克拉荷馬大學(xué)健康科學(xué)中心（OUHSC）的助理教授，在 OUHSC 的雷諾茲俄克拉荷馬衰老中心完成博士后研究后，于 2019 年開始擔(dān)任助理教授 �，F(xiàn)任職于神經(jīng)外科系，研究興趣集中于理解老年人血管性認(rèn)知障礙和癡呆癥的發(fā)病機(jī)制 。

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)站隨時(shí)與我們?nèi)〉寐?lián)系！

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參考文獻(xiàn)：
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[2] S.S. Chandragiri, A. Nyúl-Tóth, S. Negri, R. Patai, R. Gulej, B. Csik, S. Shanmugarama, K.V. Kordestan, M. Nagykaldi, P. Mukli, A. Ungvari, A. Yabluchanskiy, Z. Ungvari, S. Tarantini and A. Csiszar, Functional ultrasound imaging reveals microvascular rarefaction, decreased cerebral blood flow, and impaired neurovascular coupling in a mouse model of paclitaxel-induced chemobrain, GeroScience, 2025, https://doi.org/10.1007/ s11357-025-01624-7. See also a news article about this study on the Iconeus website.
[3] J. Pinckard, S. Negri, C.A. Huston, M.A. Bickel, M.L. Vance, M. Milan, C.L. Hibbs, M. Budda, S.S. Chandragiri, K. Pipkin, S. Tarantini and S.M. Conley, Functional ultrasound as a quantitative approach for measuring functional hyperemia in aging models, NeuroImage, 2025, 316: 121313, https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2025.121313