Сверхбыстрая фотоакустическая визуализация позволяет по-новому взглянуть на работу мозга

Методы визуализации, которые в режиме реального времени предоставляют подробную информацию о сложных церебральных сосудистых сетях, важны для расширения понимания нервно-сосудистых расстройств, таких как инсульт, деменция и черепно-мозговой травме.

Хотя позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) дают приличные изображения, они страдают от низкого пространственного разрешения, что затрудняет различение соседних структур тела и низкого временного разрешения, т. е. времени, необходимого для проведения измерений и построения образа.

Точно так же оптическая микроскопия дает изображения с высоким разрешением, но ей мешают низкая скорость визуализации и недостаточная глубина проникновения. Ультразвук с усилением микропузырьков проникает глубоко с высоким разрешением, но не обладает функциональной чувствительностью.

Альтернативный метод визуализации, фотоакустическая микроскопия (ФAM) (photoacoustic microscopy), использует импульсы лазерного света, направляемые в орган. Импульсы вызывают ультразвуковую волну, которая улавливается для формирования изображения.

Важно отметить, что ФAM может использовать лазерный свет с различной длиной волны для воздействия на определенные структуры тела, вплоть до молекулярного уровня. То есть ФAM может измерять важные гемодинамические параметры, такие как оксигенация крови, кровоток и скорость метаболизма кислорода.

Недостатком ФAM является медленное сканирование. Но эта проблема была решена исследователями Института наук о мозге Дьюка (DIBS) с разработкой сверхбыстрой функциональной фотоакустической микроскопии (СБФ-ФAM), которая работает в 2 раза быстрее, чем существующие системы ФAM.

СБФ-ФAM позволяет визуализировать микроциркуляторное русло и функционирование головного мозга с широким полем зрения и высоким пространственным разрешением, чего не хватает другим методам визуализации.

В экспериментальном исследовании ученые использовали СБФ-ФAM для успешного определения гемодинамических ответов на индуцированную гипоксию, гипотензию, вызванную нитропруссидом натрия, и инсульт в мозге мышей. СБФ-ФAM смог зафиксировать быстрые изменения всего мозга в режиме реального времени.

Эксперимент с инсультом дал неожиданный результат. СБФ-ФAM обнаружил распространяющуюся волну деполяризации, исходящую из области инсульта по всему мозгу, вызывающую сужение кровеносных сосудов (вазоконстрикцию) по мере ее распространения. Волны деполяризации представляют большой интерес для исследователей и ученых, поскольку их функция плохо изучена.

«Волны деполяризации могут указывать на уровень тяжести травмы, что делает их потенциальным диагностическим инструментом», — сказал Цзюньцзе Яо из DIBS.

«Природа волн также может дать ключ к разгадке типа и степени повреждения головного мозга, что может дать информацию и оптимизировать лечение», — сказал Яо.

В настоящее время команда Университета Дьюка рассматривает возможность использования СБФ-ФAM для изучения других заболеваний. Хотя СБФ-ФAM в настоящее время используется только на животных, Яо сообщил о планах разработать портативный СБФ-ФAM для использования на людях.

Исследование появилось в журнале Light: Science and Applications.