使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

我们的研究范围集中在开发超声定位显微镜协议，以实现大鼠脑微血管系统的超分辨率成像。我们的目标是解决在小血管成像中平衡特殊分辨率和穿透深度的挑战，提供对健康和疾病状态下血管结构和血流动态的详细见解。

我们的方案具有实现 12.5 微米高空间分辨率的优势，同时保持高达 12 毫米的穿透深度，超越了 MRI、CT 和双超声等传统方法。与光学技术不同，它可以同时对深部大脑区域进行成像、重建微血管结构和可视化血流动力学。

我们的研究结果为研究神经系统疾病（如胶质母细胞肿瘤和阿尔茨海默病）的微血管变化铺平了道路。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大脑功能之间的关系开辟了新的机会。

[旁白]首先，将麻醉的大鼠放在手术台上。将大鼠的上门牙固定在门牙杆的凹口中，将下颌定位在门牙杆下方。将耳杆放置在骨压痕处，略前方和上方耳道，确保颅面保持水平。对头部的不同部位施加少量压力以评估稳定性。微调成像平台的高度，并使用门牙槽口调整大鼠头部的角度，以确保呼吸畅通无阻。将红霉素软膏或 30% 甘油溶液涂抹在大鼠的眼睛上，以保护它们免受手术光的伤害并保持水分。用手持式电动理发器，逆着毛发生长的方向剃掉老鼠的头，覆盖耳朵之间和从眼睛到颈部的区域。现在，沿着大鼠头骨的矢状缝合线做一个切口，从枕骨开始，向前延伸约四厘米。使用止血剂缩回两侧皮肤。或者，切除头骨上方的皮肤，以便更容易进入。用小剪刀从颅骨上取下骨膜，完全暴露坚硬的骨层。使用带有 2.5 毫米球形钻头的手持式迷你颅钻进行开颅手术。轻轻敲击以磨合骨头，一次钻两到三秒，从中心开始，向外进行。每两分钟向钻孔区域注入约一毫升 0.9% 氯化钠溶液，以冷却并冲洗掉碎屑。一旦白骨组织不再一致地连接，就换用更细的一毫米钻头。继续钻孔，直到中央主要血管清晰可见为深棕色，周围组织呈粉红色，微血管呈微红色。制备造影剂时，将SF6气体和冻干造影剂粉末溶解在5毫升0.9%氯化钠中。剧烈摇动混合物以形成微泡或MB悬浮液，最终SF6浓度为每毫升8微升。将 0.8 毫升 MB 悬浮液吸入连接到显微注射泵的 1 毫升注射器中。将带有导管的 26 号留置针插入大鼠的尾静脉并注射。成像前，将中心频率为 15.625 兆赫兹的探头安装在配备夹具的脑立体定位仪的机械臂上。将超声探头放置在暴露的大鼠大脑的正上方，并将耦合凝胶涂抹在暴露的大脑表面，以确保最佳的信号传输。打开软件的主界面，该界面集成了包裹大脑图集和电机运动控制程序。将BGMA点设置为原点，利用软件的实时显示来监测探头的轨迹和对应的大鼠脑切片位置。选择目标成像平面，例如 BGMA 减去一毫米。启动 MATLAB 2021a 软件，并在 MATLAB 2021a 中输入数据采集脚本。在根目录中，在命令行窗口中键入“activate”以激活运行时环境。然后将数据采集的开始和结束深度分别设置为5波长和120波长，以有效捕获感兴趣区域。以 2.5 度的增量将平面波传输转向角从负 5 度设置为 5 度，以提高图像分辨率和对比度。超声定位显微镜显示，深达 12 毫米的微血管清晰可见。对半最大处的全宽分析表明，可检测到的最小血管直径为 13 微米。傅里叶环相关证实微血管成像的空间分辨率为12.5微米。大鼠大脑横截面切片的血流方向显示小皮质动脉向动，小静脉向上流动，分别用蓝色和红色表示。 速度图显示较大容器的流速较高，大多数速度集中在每秒 10 至 25 毫米的范围内。胶质母细胞瘤大鼠模型的影像学显示异常血管扩张、肿瘤附近的结构不规则、肿瘤区域的血流模式改变以及肿瘤内和肿瘤周围的血管流动不均匀。