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檢測(cè)腦毛細(xì)血管血液循環(huán)問(wèn)題的新方法

通過(guò)貝塞爾光束雙光子顯微鏡檢測(cè)毛細(xì)血管血液循環(huán)問(wèn)題的新方法,可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)疾病的治療方法的發(fā)展。

國(guó)際光電工程學(xué)會(huì)

9月13日消息

對(duì)于血流和氧氣供應(yīng)的變化,大腦可能是最敏感的器官。即使是短暫的毛細(xì)血管血流中斷(或稱(chēng)“失速”)也可能表明急性神經(jīng)系統(tǒng)問(wèn)題。有證據(jù)表明,阿爾茨海默病和帕金森病等慢性疾病與失速事件(stalling events)密切相關(guān)。因此,研究失速的影響可能會(huì)導(dǎo)致這種疾病的治療方法的發(fā)展。

然而,盡管在過(guò)去的幾十年里,醫(yī)學(xué)成像取得了巨大的進(jìn)步,但識(shí)別毛細(xì)血管中的失速仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)光學(xué)相干斷層掃描(Optical coherence tomography ,OCT是目前監(jiān)測(cè)小體積內(nèi)毛細(xì)血管的最佳方法。但是這種方法存在時(shí)間分辨率差的問(wèn)題,這意味著它只能捕獲長(zhǎng)時(shí)間的失速事件。此外,分析通過(guò) OCT 收集的數(shù)據(jù)以確定失速事件需要大量的手工工作。

John Giblin 博士

在最近發(fā)表在國(guó)際光電工程學(xué)會(huì)(International Society for Optics and Photonics,SPIE)期刊《神經(jīng)光子學(xué)》(Neurophotonics)上的一項(xiàng)研究中,由美國(guó)波士頓大學(xué)(Boston University,BU)的 John Giblin 博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組試圖解決這些問(wèn)題。利用定制的裝置,研究人員展示了一種名為貝塞爾光束雙光子顯微鏡(Bessel beam two-photon microscopy)的技術(shù)的潛力,該技術(shù)可以獲得腦毛細(xì)血管的容積圖像。此外,該團(tuán)隊(duì)還提出了一種創(chuàng)新的分析方法,可以半自動(dòng)地識(shí)別失速事件。論文題目“貝塞爾光束雙光子顯微鏡高通量檢測(cè)毛細(xì)管失速事件”( High throughput detection of capillary stalling events with Bessel beam two-photon microscopy)。

研究于2023年9月12日發(fā)表在《Neurophotonics》(最新影響因子:5.3)雜志上

但什么是貝塞爾光束雙光子顯微鏡?雙光子顯微鏡是一種廣泛使用的成像方式,它利用激光激發(fā)樣品中的熒光分子發(fā)光必須同時(shí)發(fā)生兩個(gè)光子與熒光分子的碰撞,這可以大大降低背景雜波。此外,利用貝塞爾光束,一種具有獨(dú)特強(qiáng)度分布的激光束,使其能夠在相對(duì)較長(zhǎng)的距離內(nèi)保持聚焦在狹窄的空間內(nèi),使該技術(shù)更具前景。

由于這種方法,研究人員可以大約每?jī)擅氆@得 713 × 713 × 120 μm3 體積內(nèi)所有毛細(xì)血管的清晰圖像。在這些圖像中,通過(guò)聚焦紅血球的運(yùn)動(dòng),可以直接檢測(cè)到失速,紅血球以陰影的形式出現(xiàn)。如果細(xì)胞停留在毛細(xì)血管內(nèi)的同一位置連續(xù)兩幀或更多幀,這意味著毛細(xì)血管內(nèi)的血液流動(dòng)已經(jīng)停止。

與 OCT 相比,使用貝塞爾光束雙光子顯微鏡的方法可以更快地生成圖像,提供更好的時(shí)間分辨率。然而,這種設(shè)置產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)只會(huì)加劇數(shù)據(jù)分析的問(wèn)題。因此,該團(tuán)隊(duì)提出了一種方法,可以更容易地識(shí)別失速事件

所提出的分析程序依賴(lài)于這樣一個(gè)事實(shí),即在雙光子圖像中沿失速毛細(xì)血管的強(qiáng)度將保持相對(duì)不變。研究人員實(shí)現(xiàn)了一種算法來(lái)計(jì)算單個(gè)毛細(xì)血管的幀間強(qiáng)度相關(guān)性,高相關(guān)性意味著毛細(xì)血管已經(jīng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)可視化計(jì)算出的相關(guān)性,而不是原始的強(qiáng)度圖像,研究人員發(fā)現(xiàn)識(shí)別失速事件更容易、更快。

研究小組通過(guò)小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了他們的半自動(dòng)數(shù)據(jù)分析技術(shù),以探索卒中前后失速的變化。提出的策略將分析所需的時(shí)間縮短了一半。此外,可視化強(qiáng)度相關(guān)性被證明比“盲目”觀察原始圖像更可靠地檢測(cè)失速。與 OCT 不同,這種成像策略也能夠檢測(cè)到短暫的失速事件

此外,貝塞爾光束雙光子顯微鏡使血管直徑的估計(jì)基于熒光強(qiáng)度。為了展示這一特征,研究人員調(diào)查了失速事件與動(dòng)脈擴(kuò)張之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)擴(kuò)張的血管可以短暫地減少失速。

神經(jīng)光子學(xué)》副主編、約翰霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University,JHU)眼科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程教授 Ji Yi 評(píng)論道:“綜合來(lái)看,這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)證明了貝塞爾光束雙光子顯微鏡在探索大腦循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)作及其對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)健康的影響方面的力量。”

在不久的將來(lái),檢測(cè)失速的全自動(dòng)方法有望幫助科學(xué)家調(diào)查、診斷和評(píng)估腦部疾病的治療方法。

創(chuàng)立于1839年的波士頓大學(xué)

參考文獻(xiàn)

Source:International Society for Optics and Photonics

New method for detecting blood circulation problems in brain capillaries

Reference:

John Giblin et al, High throughput detection of capillary stalling events with Bessel beam two-photon microscopy, Neurophotonics (2023). DOI: 10.1117/1.NPh.10.3.035009

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       原文標(biāo)題 : 檢測(cè)腦毛細(xì)血管血液循環(huán)問(wèn)題的新方法

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