功能(néng)性超聲fUS

時間：2024-05-06 熱度：322

fUS是近年來興起的一種新(xīn)型腦功能(néng)成像技(jì )術，突破性地在清醒活動中(zhōng)的動物(wù)上實現大範圍的腦活動觀察。fUS全稱功能(néng)性超聲，其原理(lǐ)是基于新(xīn)型的平面波超聲技(jì )術，這一技(jì )術的理(lǐ)論在上世紀90年代就已經提出，當時受限于計算機硬件的限制難以真正實現。2011年，巴黎高等物(wù)理(lǐ)化工(gōng)學(xué)院（ESPCI Paris）Mickeal Tanter教授團隊在Nature Methods上發表了fUS最早的一篇關鍵性論文(wén)。值得一提的是ESPCI Pairs是很(hěn)多(duō)現代重要技(jì )術的起源地，1881年諾貝爾獎獲得者皮埃爾居裏正是在這裏發現了反壓電(diàn)效應，後來成為(wèi)現代超聲技(jì )術的基石，該學(xué)院在超聲技(jì )術領域一直都處于國(guó)際領先水平。

這一新(xīn)技(jì )術的優點包括：

1、适合清醒活動動物(wù)上的全腦功能(néng)成像

2、具(jù)有(yǒu)非常高的敏感性，能(néng)夠記錄一過性的腦功能(néng)改變

3、高時空分(fēn)辨率

4、高兼容性，可(kě)與電(diàn)生理(lǐ)，光遺傳等技(jì )術結合

該技(jì )術在清醒活動動物(wù)上的獨特優勢使得小(xiǎo)動物(wù)腦功能(néng)成像的應用(yòng)範圍得到很(hěn)大的拓寬。同時，由于fUS的這些特點，腦功能(néng)成像也越來越多(duō)地融入神經科(kē)學(xué)研究的前沿領域，包括神經環路研究，神經精(jīng)神疾病研究等等，并和很(hěn)多(duō)經典的研究手段相結合，如光遺傳、在體(tǐ)鈣成像、在體(tǐ)電(diàn)生理(lǐ)等。

ICONEUS作(zuò)為(wèi)fUS技(jì )術的發明人和關鍵專利擁有(yǒu)者，目前全球60多(duō)個大學(xué)、科(kē)研院已成為(wèi)其用(yòng)戶，發表上百篇包括CNS在内的文(wén)章，國(guó)内也已有(yǒu)10幾個單位采購(gòu)。其多(duō)樣化的探頭和成熟的軟硬件系統，可(kě)以幫助神經科(kē)學(xué)工(gōng)作(zuò)者，快速獲得想要的數據，并有(yǒu)大量已發表的文(wén)獻作(zuò)為(wèi)背書，目前現已成為(wèi)國(guó)際炙手可(kě)熱的腦功能(néng)研究技(jì )術。

得益于fUS技(jì )術全腦大範圍觀察的優勢，以及易于和行為(wèi)學(xué)、電(diàn)生理(lǐ)、光遺傳等技(jì )術結合的特點，在神經環路的研究中(zhōng)可(kě)發揮關鍵性作(zuò)用(yòng)，幫助在全腦範圍中(zhōng)篩選和特定行為(wèi)相關的腦區(qū)，并檢測這些腦區(qū)在幹預下的腦功能(néng)變化。

丹揚院士團隊去年12月剛發表在Cell的文(wén)章就是一個很(hěn)好的例子，展現了fUS技(jì )術如何幫助發現神經環路中(zhōng)的關鍵腦區(qū)。

圖1. 在這項研究中(zhōng)，fUS和EEG及光遺傳刺激相結合，檢測了光遺傳刺激視覺皮層所激活的腦區(qū)，以及清醒/睡眠期間激活腦區(qū)的差異。從而找到了參與睡眠中(zhōng)感覺抑制環路的關鍵腦區(qū)。

圖2.睡眠和清醒時全腦腦血容量對光遺傳V1激活反應的功能(néng)超聲成像

作(zuò)者首先通過病毒注射到Camk2a-Cre小(xiǎo)鼠的V1中(zhōng)，光遺傳學(xué)激活V1錐體(tǐ)神經元。在V1中(zhōng)應用(yòng)短暫的激光刺激，并使用(yòng)功能(néng)性超聲成像（fUSi，測量多(duō)普勒頻譜強度，它與腦血容量成正比）測量小(xiǎo)鼠大腦的大部分(fēn)反應。當一個大腦區(qū)域被激活時，局部血管擴張，導緻CBV增加。作(zuò)者在幾個皮質(zhì)區(qū)域觀察到強大的CBV反應，這些小(xiǎo)鼠已知接收來自V1的興奮性投射。皮層下區(qū)域，如TH和上丘也被激活。除了上述區(qū)域外，大腦其他(tā)區(qū)域的神經元也可(kě)能(néng)對V1刺激有(yǒu)反應，但相關的CBV活性低于檢測阈值。小(xiǎo)鼠在每個成像過程中(zhōng)經曆多(duō)個睡眠-覺醒周期，根據腦電(diàn)圖和肌電(diàn)圖記錄，對覺醒、非快速眼動和快速眼動睡眠進行分(fēn)類。用(yòng)fUSi測量的全腦CBV活動在非快速眼動睡眠和清醒狀态之間具(jù)有(yǒu)可(kě)比性，但在快速眼動睡眠期間更高。在2-s激光刺激下，睡眠-覺醒大腦狀态沒有(yǒu)顯著變化或運動活動，在NREM睡眠和清醒期間，V1的CBV反應是相似的，可(kě)能(néng)是因為(wèi)V1活動被直接光遺傳激活控制。然而，在壓後皮層（RSP）和前扣帶回區(qū) (ACA)中(zhōng)，在NREM睡眠期間的反應明顯較弱，表明從V1向更高皮質(zhì)區(qū)域的活動傳播減少。這表明，非快速眼動睡眠優先抑制皮層内的活動傳播，盡管fUSi可(kě)能(néng)在一些小(xiǎo)的皮層下區(qū)域的活動抑制沒有(yǒu)被檢測到。在快速眼動睡眠中(zhōng)，大腦皮層的活動傳播也強于非快速眼動睡眠中(zhōng)。在V1之外，額葉區(qū)ACA在NREM睡眠中(zhōng)CBV反應減少最為(wèi)顯著。

圖3. 化學(xué)遺傳學(xué)抑制基底前腦膽堿能(néng)神經元對V1區(qū)到ACA區(qū)神經活動傳遞的影響。

為(wèi)了驗證基底前腦膽堿能(néng)神經元的作(zuò)用(yòng)，作(zuò)者還使用(yòng)了fUS技(jì )術還和化學(xué)遺傳學(xué)結合的研究方法。當用(yòng)化學(xué)遺傳學(xué)方法抑制基底前腦膽堿能(néng)神經元，清醒狀态下V1區(qū)光遺傳激活引起的ACA激活也被抑制了（圖3）。而用(yòng)化學(xué)遺傳學(xué)方法激活基底前腦膽堿能(néng)神經元，NREM睡眠期V1到ACA的神經激活傳遞依然存在（圖4）。并且，這一結果被ACA區(qū)錐體(tǐ)神經元鈣信号所驗證（圖3，4）。

圖4. 化學(xué)遺傳學(xué)激活基底前腦膽堿能(néng)神經元對V1區(qū)到ACA區(qū)神經活動傳遞的影響。

今年我們很(hěn)高興地迎來國(guó)内fUS相關的第一篇論文(wén)。這篇論文(wén)研究不伴有(yǒu)聽力受損的耳鳴的腦機制。已經知道不伴有(yǒu)聽力受損的耳鳴患者更多(duō)地出現心理(lǐ)和情緒障礙，并且耳鳴與大腦邊緣系統的異常代謝(xiè)有(yǒu)密切關聯，但其中(zhōng)的分(fēn)子機制尚不清楚。

為(wèi)了找到與耳鳴症狀最相關的腦區(qū)，研究人員首先利用(yòng)fUS技(jì )術對小(xiǎo)鼠大腦進行大範圍的篩選。這裏用(yòng)到了一種穩定且迅速的耳鳴造模方法，即單次注射水楊酸鹽（salicylate）。

圖5. 注射水楊酸鹽對小(xiǎo)鼠各腦區(qū)fUS（CBV）信号的影響。

在記錄20分(fēn)鍾基線(xiàn)後注射水楊酸鹽，部分(fēn)腦區(qū)出現CBV信号的增強，包括ACC（anterior cingulate cortex），dorsal thalamus等區(qū)域。其中(zhōng)增強最為(wèi)顯著的是ACC，推測邊緣系統中(zhōng)的這個腦區(qū)是耳鳴症狀形成中(zhōng)的關鍵腦區(qū)。

論文(wén)後續針對ACC腦區(qū)采用(yòng)代謝(xiè)組學(xué)，磷酸化蛋白組學(xué)等分(fēn)子手段深入研究了該腦區(qū)在耳鳴形成中(zhōng)的分(fēn)子機制，并得到結論，ACC腦區(qū)通過與初級聽覺皮層的相互作(zuò)用(yòng)在耳鳴的形成中(zhōng)起到關鍵作(zuò)用(yòng)，并為(wèi)未來的藥物(wù)研發提供了分(fēn)子靶标。

總結

近期發表的這兩篇論文(wén)雖然研究方向差異很(hěn)大，一篇是神經環路研究，一篇是疾病研究，但都得益于fUS技(jì )術适合進行清醒動物(wù)全腦大範圍觀察的優勢，結合特定的幹預手段，包括光遺傳和給藥，篩選出變化最顯著的腦區(qū)，并以此作(zuò)為(wèi)後續研究的核心。

fUS技(jì )術最早是源于巴黎高等物(wù)理(lǐ)化工(gōng)學(xué)院（ESPCI Paris）Mickeal Tanter教授團隊的研究。值得一提的是ESPCI Pairs是很(hěn)多(duō)現代重要技(jì )術的起源地，尤其在超聲技(jì )術領域擁有(yǒu)極強的科(kē)研背景。1881年諾貝爾獎獲得者皮埃爾居裏正是在這裏發現了反壓電(diàn)效應，後來成為(wèi)現代超聲技(jì )術的基石。Tanter教授及其同事帶領的團隊在2016年成立了ICONEUS公(gōng)司，緻力于fUS技(jì )術的持續開發與商(shāng)業化。

重慶宣尊生物(wù)科(kē)技(jì )已在國(guó)内代理(lǐ)ICONEUS設備，并開發fUS技(jì )術的手術及實驗，積累了豐富的手術和實驗技(jì )術，将為(wèi)使用(yòng)ICONEUS的實驗室提供全面的支持。以下是在我們的demo機上獲得的小(xiǎo)鼠fUS圖像：