功能性超聲fUS

時間：2024-05-06 熱度：181

fUS是近年來興起的一種新型腦功能成像技術(shù)，突破性地在清醒活動中的動物上實現(xiàn)大范圍的腦活動觀察。fUS全稱功能性超聲，其原理是基于新型的平面波超聲技術(shù)，這一技術(shù)的理論在上世紀90年代就已經(jīng)提出，當時受限于計算機硬件的限制難以真正實現(xiàn)。2011年，巴黎高等物理化工學院（ESPCI Paris）Mickeal Tanter教授團隊在Nature Methods上發(fā)表了fUS最早的一篇關(guān)鍵性論文。值得一提的是ESPCI Pairs是很多現(xiàn)代重要技術(shù)的起源地，1881年諾貝爾獎獲得者皮埃爾居里正是在這里發(fā)現(xiàn)了反壓電效應，后來成為現(xiàn)代超聲技術(shù)的基石，該學院在超聲技術(shù)領域一直都處于國際領先水平。

這一新技術(shù)的優(yōu)點包括：

1、適合清醒活動動物上的全腦功能成像

2、具有非常高的敏感性，能夠記錄一過性的腦功能改變

3、高時空分辨率

4、高兼容性，可與電生理，光遺傳等技術(shù)結(jié)合

該技術(shù)在清醒活動動物上的獨特優(yōu)勢使得小動物腦功能成像的應用范圍得到很大的拓寬。同時，由于fUS的這些特點，腦功能成像也越來越多地融入神經(jīng)科學研究的前沿領域，包括神經(jīng)環(huán)路研究，神經(jīng)精神疾病研究等等，并和很多經(jīng)典的研究手段相結(jié)合，如光遺傳、在體鈣成像、在體電生理等。

ICONEUS作為fUS技術(shù)的發(fā)明人和關(guān)鍵專利擁有者，目前全球60多個大學、科研院已成為其用戶，發(fā)表上百篇包括CNS在內(nèi)的文章，國內(nèi)也已有10幾個單位采購。其多樣化的探頭和成熟的軟硬件系統(tǒng)，可以幫助神經(jīng)科學工作者，快速獲得想要的數(shù)據(jù)，并有大量已發(fā)表的文獻作為背書，目前現(xiàn)已成為國際炙手可熱的腦功能研究技術(shù)。

得益于fUS技術(shù)全腦大范圍觀察的優(yōu)勢，以及易于和行為學、電生理、光遺傳等技術(shù)結(jié)合的特點，在神經(jīng)環(huán)路的研究中可發(fā)揮關(guān)鍵性作用，幫助在全腦范圍中篩選和特定行為相關(guān)的腦區(qū)，并檢測這些腦區(qū)在干預下的腦功能變化。

丹揚院士團隊去年12月剛發(fā)表在Cell的文章就是一個很好的例子，展現(xiàn)了fUS技術(shù)如何幫助發(fā)現(xiàn)神經(jīng)環(huán)路中的關(guān)鍵腦區(qū)。

圖1. 在這項研究中，fUS和EEG及光遺傳刺激相結(jié)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感覺抑制環(huán)路的關(guān)鍵腦區(qū)。

圖2.睡眠和清醒時全腦腦血容量對光遺傳V1激活反應的功能超聲成像

作者首先通過病毒注射到Camk2a-Cre小鼠的V1中，光遺傳學激活V1錐體神經(jīng)元。在V1中應用短暫的激光刺激，并使用功能性超聲成像（fUSi，測量多普勒頻譜強度，它與腦血容量成正比）測量小鼠大腦的大部分反應。當一個大腦區(qū)域被激活時，局部血管擴張，導致CBV增加。作者在幾個皮質(zhì)區(qū)域觀察到強大的CBV反應，這些小鼠已知接收來自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，大腦其他區(qū)域的神經(jīng)元也可能對V1刺激有反應，但相關(guān)的CBV活性低于檢測閾值。小鼠在每個成像過程中經(jīng)歷多個睡眠-覺醒周期，根據(jù)腦電圖和肌電圖記錄，對覺醒、非快速眼動和快速眼動睡眠進行分類。用fUSi測量的全腦CBV活動在非快速眼動睡眠和清醒狀態(tài)之間具有可比性，但在快速眼動睡眠期間更高。在2-s激光刺激下，睡眠-覺醒大腦狀態(tài)沒有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，可能是因為V1活動被直接光遺傳激活控制。然而，在壓后皮層（RSP）和前扣帶回區(qū) (ACA)中，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(yōu)先抑制皮層內(nèi)的活動傳播，盡管fUSi可能在一些小的皮層下區(qū)域的活動抑制沒有被檢測到。在快速眼動睡眠中，大腦皮層的活動傳播也強于非快速眼動睡眠中。在V1之外，額葉區(qū)ACA在NREM睡眠中CBV反應減少最為顯著。

圖3. 化學遺傳學抑制基底前腦膽堿能神經(jīng)元對V1區(qū)到ACA區(qū)神經(jīng)活動傳遞的影響。

為了驗證基底前腦膽堿能神經(jīng)元的作用，作者還使用了fUS技術(shù)還和化學遺傳學結(jié)合的研究方法。當用化學遺傳學方法抑制基底前腦膽堿能神經(jīng)元，清醒狀態(tài)下V1區(qū)光遺傳激活引起的ACA激活也被抑制了（圖3）。而用化學遺傳學方法激活基底前腦膽堿能神經(jīng)元，NREM睡眠期V1到ACA的神經(jīng)激活傳遞依然存在（圖4）。并且，這一結(jié)果被ACA區(qū)錐體神經(jīng)元鈣信號所驗證（圖3，4）。

圖4. 化學遺傳學激活基底前腦膽堿能神經(jīng)元對V1區(qū)到ACA區(qū)神經(jīng)活動傳遞的影響。

今年我們很高興地迎來國內(nèi)fUS相關(guān)的第一篇論文。這篇論文研究不伴有聽力受損的耳鳴的腦機制。已經(jīng)知道不伴有聽力受損的耳鳴患者更多地出現(xiàn)心理和情緒障礙，并且耳鳴與大腦邊緣系統(tǒng)的異常代謝有密切關(guān)聯(lián)，但其中的分子機制尚不清楚。

為了找到與耳鳴癥狀最相關(guān)的腦區(qū)，研究人員首先利用fUS技術(shù)對小鼠大腦進行大范圍的篩選。這里用到了一種穩(wěn)定且迅速的耳鳴造模方法，即單次注射水楊酸鹽（salicylate）。

圖5. 注射水楊酸鹽對小鼠各腦區(qū)fUS（CBV）信號的影響。

在記錄20分鐘基線后注射水楊酸鹽，部分腦區(qū)出現(xiàn)CBV信號的增強，包括ACC（anterior cingulate cortex），dorsal thalamus等區(qū)域。其中增強最為顯著的是ACC，推測邊緣系統(tǒng)中的這個腦區(qū)是耳鳴癥狀形成中的關(guān)鍵腦區(qū)。

論文后續(xù)針對ACC腦區(qū)采用代謝組學，磷酸化蛋白組學等分子手段深入研究了該腦區(qū)在耳鳴形成中的分子機制，并得到結(jié)論，ACC腦區(qū)通過與初級聽覺皮層的相互作用在耳鳴的形成中起到關(guān)鍵作用，并為未來的藥物研發(fā)提供了分子靶標。

總結(jié)

近期發(fā)表的這兩篇論文雖然研究方向差異很大，一篇是神經(jīng)環(huán)路研究，一篇是疾病研究，但都得益于fUS技術(shù)適合進行清醒動物全腦大范圍觀察的優(yōu)勢，結(jié)合特定的干預手段，包括光遺傳和給藥，篩選出變化最顯著的腦區(qū)，并以此作為后續(xù)研究的核心。

fUS技術(shù)最早是源于巴黎高等物理化工學院（ESPCI Paris）Mickeal Tanter教授團隊的研究。值得一提的是ESPCI Pairs是很多現(xiàn)代重要技術(shù)的起源地，尤其在超聲技術(shù)領域擁有極強的科研背景。1881年諾貝爾獎獲得者皮埃爾居里正是在這里發(fā)現(xiàn)了反壓電效應，后來成為現(xiàn)代超聲技術(shù)的基石。Tanter教授及其同事帶領的團隊在2016年成立了ICONEUS公司，致力于fUS技術(shù)的持續(xù)開發(fā)與商業(yè)化。

重慶宣尊生物科技已在國內(nèi)代理ICONEUS設備，并開發(fā)fUS技術(shù)的手術(shù)及實驗，積累了豐富的手術(shù)和實驗技術(shù)，將為使用ICONEUS的實驗室提供全面的支持。以下是在我們的demo機上獲得的小鼠fUS圖像：