利用超声定位显微镜对大鼠脑微血管系统进行二维超分辨率可视化

本研究的重点是开发一种超声定位显微镜技术，以实现大鼠脑微血管系统的超分辨率成像。我们旨在解决在成像小血管时空间分辨率与穿透深度之间的平衡难题，从而为健康状态及疾病状态下血管结构和血流动力学提供详细的洞察。

本方案具有12.5微米的高空间分辨率，同时可实现深达12毫米的成像穿透深度，优于传统的磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）和双模超声等方法。与光学技术不同，该方法能够对深部脑区进行成像，同时重建微血管结构并可视化血流动力学过程。

我们的研究为探索神经疾病（如胶质母细胞瘤和阿尔茨海默病）中的微血管变化提供了途径。以高分辨率可视化血流动力学和微血管结构的能力，为研究疾病进展、治疗效果以及肌肉改变与脑功能之间的关系开辟了新的机遇。

[旁白] 首先，将麻醉后的大鼠置于手术台上。将大鼠的上门齿固定于门齿杆的凹槽中，下颌置于门齿杆下方。将耳杆插入耳道前方和上方略偏的骨性凹陷处，确保颅骨表面保持水平。对头部不同部位施加轻微压力，以评估固定稳定性。通过调节成像平台的高度，并利用门齿杆凹槽调整大鼠头部角度，确保呼吸通畅。在大鼠眼部涂抹红霉素软膏或30%甘油溶液，以保护眼睛免受手术灯光照射并保持湿润。使用手持式电动剃毛器逆毛发生长方向剃除大鼠头部毛发，范围覆盖两耳之间以及从眼睛至颈部的区域。随后，沿大鼠颅骨的矢状缝做一切口，起始于枕骨稍前方，向前延伸约四厘米。使用止血钳将皮肤向两侧牵开。可选择性地切除颅骨上方的皮肤以获得更佳操作视野。使用小型剪刀去除颅骨上的骨膜，充分暴露坚硬的骨层。使用配备2.5毫米球形钻头的手持微型颅骨钻进行颅骨开窗。轻敲钻头以磨削骨质，每次钻磨持续2至3秒，从中央开始逐步向外周推进。每两分钟向钻孔区域注射约1毫升0.9%氯化钠溶液，用于冷却并冲洗碎屑。当白色骨组织不再呈现连续连接状态时，更换为更精细的1毫米钻头继续操作。持续钻磨直至中央主要血管清晰可见：大血管呈深棕色，周围组织呈粉红色，微血管则呈微红色。为制备造影剂，将SF6气体与冻干造影剂粉末溶解于5毫升0.9%氯化钠溶液中。剧烈震荡混合物，形成微泡（MB）悬液，最终SF6浓度为每毫升8微升。用1毫升注射器抽取0.8毫升MB悬液，并连接至微注射泵。将26号留置针连接导管插入大鼠尾静脉并进行注射。成像前，将中心频率为15.625兆赫的超声探头安装至配备夹具的脑立体定位仪的操纵臂上。将超声探头置于暴露的大鼠脑组织正上方，并在暴露的脑表面涂抹耦合凝胶，以确保最佳信号传输。打开软件主界面，该界面集成了全脑图谱与运动控制程序。将BGMA点设为原点，利用软件的实时显示功能监控探头轨迹及对应的大鼠脑切片位置。选择目标成像平面，例如BGMA减去1毫米平面。启动MATLAB 2021a软件，并在其中输入数据采集脚本。在根目录下，于命令行窗口输入“activate”以激活运行环境。随后将数据采集的起始和终止深度分别设置为5个波长和120个波长，以有效捕获感兴趣区域。将平面波发射偏转角度设置为从-5度到+5度，以2.5度为增量，以提高图像分辨率和对比度。超声定位显微成像显示，深度达12毫米处的微血管结构清晰可见。半高全宽分析表明，可检测到的最小血管直径为13微米。傅里叶环相关分析确认微血管成像的空间分辨率为12.5微米。大鼠脑横截面的血流方向显示，小皮层动脉血流方向向下，小静脉血流方向向上，分别以蓝色和红色表示。速度图显示较大血管中的血流速度更高，大多数速度集中在10至25毫米/秒范围内。对胶质母细胞瘤大鼠模型的成像显示，肿瘤区域附近存在异常血管扩张、结构不规则、血流模式改变，以及肿瘤内部及周围血管血流的异质性。