（深圳商報首席記者 陳小慧）3月21日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭海榮院士、劉成波研究員和鄭煒研究員團(tuán)隊(duì)的最新研究成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款重量僅有1.7克的頭戴式成像顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了自由活動下小鼠神經(jīng)元活動與血氧代謝的同步高時空分辨成像，為大腦神經(jīng)血管耦合機(jī)制探索和腦機(jī)接口技術(shù)開發(fā)提供了新思路。深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。
研究團(tuán)隊(duì)通過微型化設(shè)計，整合共聚焦熒光顯微鏡和光聲顯微鏡，成功構(gòu)建了重量僅1.7克的雙模態(tài)成像探頭，可在自由活動小鼠實(shí)現(xiàn)高時空分辨率的神經(jīng)血管同步成像。成像分辨率達(dá)到1.5微米，成像速度為0.78赫茲，視野范圍為400微米×400微米。通過系統(tǒng)硬件與算法創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了大腦血氧代謝成像，并同步記錄神經(jīng)元鈣信號活動。
神經(jīng)血管耦合是大腦神經(jīng)活動對局部血流、血氧動態(tài)調(diào)節(jié)的一種功能機(jī)制，也是腦機(jī)接口功能成像神經(jīng)活動的核心目標(biāo)。當(dāng)神經(jīng)元活躍時，其代謝需求增加，鄰近血管通過擴(kuò)張和血氧調(diào)節(jié)進(jìn)行快速響應(yīng)，從而保障大腦神經(jīng)活動能量供應(yīng)。這一機(jī)制是維持大腦正常功能的基礎(chǔ)，也是非侵入腦機(jī)接口獲取大腦信息的關(guān)鍵。但傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)大腦神經(jīng)元和腦血流在體同步高時空分辨監(jiān)測，無法精準(zhǔn)獲得神經(jīng)元活動與附近血流、血氧動態(tài)信息的關(guān)聯(lián)；且大多數(shù)研究局限于頭部固定成像，無法真實(shí)反映自然行為狀態(tài)下的神經(jīng)血管耦合功能。
傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受限于光學(xué)器件體積與信號采集復(fù)雜性，難以兼顧高分辨率與動物行為自由度，無法實(shí)現(xiàn)神經(jīng)血管同步成像。該研究的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了雙模態(tài)成像的輕量化集成，利用共聚焦熒光顯微術(shù)實(shí)時追蹤神經(jīng)元鈣信號活動，結(jié)合光聲顯微術(shù)無標(biāo)記檢測血氧飽和度、總血紅蛋白含量、含氧/脫氧血紅蛋白濃度及血管直徑等多維度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)活動和血管情況的同步成像。
為驗(yàn)證該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)開展了小鼠自由活動下的腦功能和腦疾病成像驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，他們觀察到在全局缺氧挑戰(zhàn)下、局部軀體感覺刺激下小鼠的神經(jīng)血管調(diào)控情況，展示了該技術(shù)在神經(jīng)血管耦合成像研究中的潛力。此外，他們還在小鼠癲癇模型中觀察到，癲癇爆發(fā)前低強(qiáng)度高頻神經(jīng)放電導(dǎo)致的血氧消耗與部分血管異常擴(kuò)張，這種先于癲癇猝發(fā)放電的氧消耗和血管擴(kuò)張，為癲癇干預(yù)治療提供了潛在的時間窗口。
“該項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了對自由活動小鼠大腦神經(jīng)元活動與血液動力學(xué)的同步高時空分辨成像，為解析神經(jīng)血管耦合機(jī)制和開發(fā)新一代腦機(jī)接口技術(shù)提供了新思路。”論文共同通訊作者劉成波介紹，未來，研究人員將在兩方面推進(jìn)該研究。在成像技術(shù)方面，繼續(xù)優(yōu)化頭戴式顯微鏡的性能，進(jìn)一步擴(kuò)大成像視場，提高成像景深和速度，并探索融合多光子熒光顯微成像等其他模態(tài)，滿足更廣泛的研究需求。在腦機(jī)接口應(yīng)用方面，探索頭戴成像技術(shù)應(yīng)用于靈長類動物腦功能信息非侵入讀取，利用神經(jīng)血管耦合機(jī)制精準(zhǔn)解析大腦功能活動，為阿爾茨海默病、卒中等腦疾病開發(fā)新的治療策略和干預(yù)措施提供科學(xué)依據(jù)。
