近日，暨南大學(xué)教授關(guān)柏鷗團(tuán)隊(duì)研制出一種頭戴式顯微鏡，能夠?qū)ψ杂蛇\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小動(dòng)物進(jìn)行腦功能成像，以單血管分辨率觀察腦皮質(zhì)層的氧合功能及其動(dòng)態(tài)變化，為腦科學(xué)及急重癥醫(yī)學(xué)研究提供了新的影像學(xué)技術(shù)。相關(guān)成果發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》。
該頭戴式顯微鏡是基于光聲成像原理實(shí)現(xiàn)的，以光纖引導(dǎo)脈沖激光激發(fā)生物組織產(chǎn)生超聲信號(hào)，通過(guò)光纖超聲傳感器探測(cè)光聲信號(hào)獲得目標(biāo)成分的空間分布。利用血紅蛋白對(duì)激光的內(nèi)源性吸收，不僅能夠提供高對(duì)比度的血管圖像，還能實(shí)現(xiàn)血氧飽和度的量化表征。
研究人員憑借首創(chuàng)的雙頻干涉光纖超聲傳感技術(shù)，將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為激光頻率變化并進(jìn)行信號(hào)放大，以光外差探測(cè)方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)讀出。光纖超聲傳感器只有頭發(fā)絲般粗細(xì)，其靈敏度比同尺寸壓電傳感器高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并具有優(yōu)良的抗干擾能力。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)壓電傳感器固有的尺寸與靈敏度之間制約關(guān)系導(dǎo)致光聲成像探頭難以小型化的瓶頸問(wèn)題，使得實(shí)現(xiàn)小型化、高性能的光聲顯微鏡成為可能。光聲成像探頭重量?jī)H4.5克，能夠以9微米的橫向分辨率和0.2赫茲的幀速率，在1.2毫米區(qū)域內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)腦皮層血氧飽和度的分布和外界刺激下氧合狀態(tài)的變化。
研究人員將光聲顯微鏡佩戴在小動(dòng)物頭上，獲得了從麻醉到蘇醒過(guò)程中的動(dòng)態(tài)腦成像結(jié)果。在麻醉狀態(tài)下，腦皮層活躍程度低、耗氧量較小，動(dòng)靜脈血氧飽和度幾乎無(wú)差異。蘇醒至自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，由于腦的耗氧量有所提升，靜脈血氧飽和度顯著降低。
研究人員還利用該顯微鏡對(duì)小動(dòng)物吸入氮?dú)狻⒍趸嫉炔煌瑲怏w下腦氧合狀態(tài)的變化進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀察，發(fā)現(xiàn)小動(dòng)物在麻醉與自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的響應(yīng)也明顯不同。進(jìn)一步利用該顯微鏡對(duì)疾病狀態(tài)下小動(dòng)物的腦氧合狀態(tài)進(jìn)行觀察。成像結(jié)果顯示，在缺氧等刺激下，患有肥胖癥的小動(dòng)物的血管直徑、血氧飽和度的變化幅度均不如健康動(dòng)物，表明肥胖癥可能使腦血管的自我調(diào)節(jié)能力受損。
該研究實(shí)現(xiàn)的光纖光聲顯微鏡具有體積小巧、靈敏度高、分辨率高、成像方式靈活等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠更好地滿(mǎn)足腦科學(xué)及醫(yī)學(xué)需求。目前，該技術(shù)已提供給急重癥醫(yī)學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，用于研究不同疾病對(duì)腦功能產(chǎn)生的損傷機(jī)制，為精準(zhǔn)制定救治方案提供科學(xué)依據(jù)。此外，該顯微鏡未來(lái)能與雙光子顯微鏡、寬場(chǎng)熒光顯微鏡等相結(jié)合，就神經(jīng)血管耦合等生理現(xiàn)象及其機(jī)制進(jìn)行觀察，對(duì)阿爾茨海默癥等疾病引發(fā)的腦損傷機(jī)理進(jìn)行研究。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01348-3
本文鏈接：小動(dòng)物頭戴式光纖光聲顯微鏡研制成功http://www.lensthegame.com/show-11-2298-0.html
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