隨著腦科學研究的不斷發(fā)展，我們既需要研究動物離體腦組織的結(jié)構(gòu)特征，也要深入觀察活體大腦的工作狀態(tài)，更進一步，我們還想探究動物在特定行為下的腦神經(jīng)活動。今天我們想跟大家探討動物活體腦成像的實驗方法。

當前，我們擁有多種手段來觀察動物活體大腦如何工作。每種技術(shù)都有其獨特的優(yōu)勢，同時也伴隨著固有的限制：

1. 在體鈣成像、在體多通道記錄等技術(shù)，具有較高的時空分辨率，但觀察范圍小，無法檢測全腦的活動；

2. EEG和MEG都具有較高的時間分辨率，但空間分辨率非常有限；

3. PET需要使用放射性化合物，且空間分辨率較低；

4. 功能磁共振成像（fMRI）提供了較好的空間分辨率，是目前很流行的用于人類腦深部成像的“金標準”，但要求實驗對象必須完全固定，而且大部分電生理記錄和行為學控制設(shè)備因為電磁兼容性問題無法在fMRI中使用，如感知覺信息處理和整合、運動控制、學習和記憶、注意與抉擇等實驗大部分都無法與fMRI結(jié)合進行或者可開展的實驗非常受限。

法國國立衛(wèi)生與醫(yī)學研究所的Mickael Tanter研究小組在20多年的探索嘗試中，開發(fā)了一種基于超高速超聲成像（每秒超過1000幀）的深部功能性腦成像的新方法fUS（functional ultrasound）。這種基于平面波傳輸?shù)某斐上窀拍钍撬麄冃〗M于1996年在朗之萬研究所提出的，它是fUS成像的核心。

這種超高速掃描儀每秒能夠產(chǎn)生數(shù)千幅超聲波圖像，空間分辨率達到100μm x 100μm，可穿透2cm以上厚度的組織，足夠掃描大鼠全腦。這種靈敏度的巨大提高打破了一個科學障礙，因為它允許超聲波在不局限于大血管的情況下，繪制大腦血管的微妙血流動力學變化圖，并通過神經(jīng)血管耦合（neurovascular coupling）揭示實時的神經(jīng)活動。

相比于fMRI技術(shù)，fUS技術(shù)可記錄自由活動的小動物，具有更高的時空分辨率，更輕便的設(shè)備體積，更高的電磁兼容性，更經(jīng)濟的價格和更低的使用門檻，是腦科學研究領(lǐng)域又一革命性的新技術(shù)，將腦功能成像引入到了更廣泛的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，結(jié)合分子、細胞、環(huán)路水平的研究手段，建立從離體到整體，從微觀到宏觀的橋梁。

技術(shù)優(yōu)勢一：高時空分辨率和高信噪比

fUS相比fMRI 具有更高的空間分辨率（fUS:100um; fMRI:~500um），可分析腦部更多的細微區(qū)域。

圖1. 采用fUS技術(shù)研究雪貂聽覺皮層，得到響應(yīng)不同頻率聲波刺激的3D拓撲圖，可以看到，得益于fUS技術(shù)的高空間分辨率，能夠在很小的皮層區(qū)域內(nèi)觀察到多樣化的響應(yīng)模式及其分布。

fUS技術(shù)同時具有遠高于fMRI的時間分辨率（fUS:10ms; fMRI:~0.5sec），利用這種超高的時間分辨率能夠追蹤到大腦中信號傳遞的方向和速度。

圖2. 一項在非人靈長類上進行的視覺任務(wù)的研究中，fUS成像顯示在SEF和ACC腦區(qū)，神經(jīng)信號從皮層表層向深層傳播。

fUS具有更高的信噪比。

fUS直接檢測腦血流，相比fMRI的BOLD信號，與神經(jīng)活動的相關(guān)性更好。此外，fUS由于具有高達kHz級的采樣率，可以精準有效地過濾心跳呼吸等生理活動噪音，因而具有很高的信噪比。不同于fMRI通常需要大量重復的trial來獲取平均數(shù)據(jù)，fUS 可以僅通過幾個trial甚至單個trial捕捉到與神經(jīng)活動相關(guān)的信息。

fUS信號的高靈敏度和高精度所帶來的好處包括：

1. 無需大量重復trial，大大提高實驗效率；

2. 減小了數(shù)據(jù)處理的復雜性；

3. 能夠研究一些一過性的現(xiàn)象，如癲癇發(fā)作（圖4）；

4. 適合于開發(fā)更復雜的實驗范式，比如包含實時反饋環(huán)路等。

圖3. fUS技術(shù)在癲癇研究中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示了癲癇發(fā)起與傳播的情況。

技術(shù)優(yōu)勢二：可在自由活動的動物上成像

fUS的探頭設(shè)計輕巧，即使小鼠也可以輕松佩戴，自由活動。此外，可以根據(jù)實驗需要靈活地在麻醉的、運動中的、頭部固定的動物上使用，適用于幾乎全部常用的實驗動物，包括小鼠、大鼠、鳥類、兔子、雪貂、非人靈長類等。

在小鼠、幼年大鼠等小型實驗動物上，探頭信號可以直接穿透顱骨進行觀察，對于更大的動物，也可采用磨骨或人工顱骨來進行全腦成像，以降低手術(shù)的難度和周期，避免了對大腦的侵入性損傷。

圖4. fUS探頭的設(shè)計和在清醒活動小鼠上的使用情況

技術(shù)優(yōu)勢三：簡單易用，兼容性高，價格及維護費用低

相比于fMRI實驗技術(shù)的高門檻，fUS技術(shù)在信號記錄和數(shù)據(jù)分析方面更為容易，初學者亦可很快上手使用：

• 記錄時可即插即掃，小鼠甚至無需開顱手術(shù)；

• 軟件內(nèi)置3D小鼠腦圖譜，可預置功能程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時分析；

• 內(nèi)置腦區(qū)間的相關(guān)性分析功能，可自動圖譜配準建立correlation matrix，呈現(xiàn)腦區(qū)間的功能連接（functional connectivity）（圖6.）；

• 設(shè)備體積輕巧，無需專用的實驗空間；

• 移動方便，可適用于更多實驗場所。

圖5. 自動圖譜配準建立correlation matrix

不同于fMRI較難與常規(guī)的電生理、光遺傳學、行為學檢測等設(shè)備配合使用，必須定制昂貴的具有電磁兼容性的專業(yè)設(shè)備，fUS 可完全兼容常規(guī)設(shè)備，適應(yīng)于復雜的實驗設(shè)計。

此外，fUS的價格遠低于昂貴的fMRI設(shè)備，且?guī)缀醪恍枰ㄌ嗟木S護費用（fMRI需要定期填充昂貴的液氦，并且不能關(guān)機，耗電量巨大）。

應(yīng)用領(lǐng)域

一、臨床前腦功能成像

fUS技術(shù)的易用性、高敏感性、高兼容性，可用于自由活動動物等特點將大大拓展腦功能成像在臨床前研究中的應(yīng)用?？山Y(jié)合各種行為范式，電生理、光纖記錄、光遺傳等技術(shù)，開展行為或任務(wù)相關(guān)的腦功能研究，也可應(yīng)用于各種神經(jīng)或精神疾病相關(guān)動物模型、神經(jīng)藥理學研究、新藥篩選、尋找新的疾病相關(guān)生物標記等等。

二、臨床前腦血管成像

利用相同的設(shè)備和技術(shù)原理，可進行全腦的血管成像，在注射醫(yī)用增強劑的條件下可達到10mm x 8mm的分辨率，在無增強劑的條件下可進行分辨率達100mm的3D及4D腦血管重構(gòu)。因此這一新技術(shù)也適合于腦中風、腦出血、腦腫瘤及其它腦血管相關(guān)疾病的基礎(chǔ)研究。

圖6. 使用增強劑的腦血管成像

三、臨床應(yīng)用

fUS已經(jīng)被嘗試通過新生兒的囟門或腦外科手術(shù)時的顱骨窗得到高質(zhì)量的實時腦功能成像，可應(yīng)用于新生兒腦疾病診斷或研究，或在手術(shù)過程中進行實時腦功能檢測以避免切除重要的功能區(qū)域。

學術(shù)向應(yīng)用的轉(zhuǎn)化

目前為止，fUS技術(shù)推出了商用化的機型ICONEUS，全球已有近40個研究所、大學，超過100個實驗室正在使用這一技術(shù)，并發(fā)表了超過百篇包括Nature、Neuron、PNAS在內(nèi)的高水準文章。

有想要進一步了解這一技術(shù)的老師，請通過以下二維碼，聯(lián)系ICONEUS國內(nèi)團隊禮智生物科技，給您提供更多您需要的信息。

以上文章來源于Leads神經(jīng)影像與電生理 ，作者黃麻

標簽：腦科學