Двумерная визуализация микроциркуляторного русла головного мозга крысы со сверхвысоким разрешением с помощью ультразвуковой микроскопии локализации

В рамках наших исследований мы разрабатываем протокол ультразвуковой локализионной микроскопии для получения изображений микроциркуляторного русла головного мозга крысы со сверхвысоким разрешением. Мы стремимся решить проблемы баланса между специальным разрешением и глубиной проникновения при визуализации мелких сосудов, обеспечивая подробное понимание структуры сосудов и динамики кровотока в здоровом и больном состояниях.

Преимущество нашего протокола заключается в достижении высокого пространственного разрешения 12,5 микрометра при сохранении глубины проникновения до 12 миллиметров, превосходя традиционные методы, такие как МРТ, КТ и двойное ультразвуковое исследование. В отличие от оптических методов, он позволяет одновременно визуализировать глубокие области мозга, реконструировать микрососудистые структуры и визуализировать динамику кровотока.

Наши результаты открывают путь к исследованию микрососудистых изменений при неврологических расстройствах, таких как опухоль глиобласта и болезнь Альцгеймера. Возможность визуализации динамики кровотока и микрососудистой архитектуры с высоким разрешением открывает новые возможности для изучения прогрессирования заболевания, эффективности лечения и взаимосвязи между мышечными изменениями и функцией мозга.

[Рассказчик] Для начала положите крысу под наркозом на операционный стол. Закрепите верхние резцы крысы в выемке планки резцов, расположив нижнюю челюсть под стержнем. Расположите ушные планки в костном углублении, немного впереди и выше слухового прохода, следя за тем, чтобы поверхность черепа оставалась горизонтальной. Приложите небольшое давление к разным частям головы, чтобы оценить устойчивость. Точно настройте высоту платформы для визуализации и отрегулируйте угол наклона головы крысы с помощью выреза на резцах, чтобы обеспечить беспрепятственное дыхание. Нанесите эритромициновую мазь или 30% раствор глицерина на глаза крысы, чтобы защитить их от хирургических лучей и сохранить влажность. С помощью ручной электрической машинки для стрижки побрейте голову крысы против направления роста шерсти, охватив область между ушами и от глаз до шеи. Теперь сделайте разрез вдоль сагиттального шва черепа крысы, начиная только с затылочной кости и простираясь примерно на четыре сантиметра вперед. Используйте гемостатики для втягивания кожи с обеих сторон. По желанию иссекайте кожу над черепом для лучшего доступа. С помощью небольших ножниц удалите надкостницу с черепа, полностью обнажив твердый костный слой. Выполняйте трепанацию черепа с помощью ручного мини-сверла для черепа, имеющего сферическое сверло диаметром 2,5 миллиметра. Осторожно постукивайте по кости, сверлить по две-три секунды за раз, начиная с центра и продвигаясь наружу. Каждые две минуты вводите примерно один миллилитр 0,9% раствора хлорида натрия в зону сверления, чтобы охладить и смыть мусор. Переключитесь на более тонкое сверло диаметром в один миллиметр, как только белая костная ткань перестанет казаться равномерно связанной. Продолжайте сверление до тех пор, пока центральные крупные кровеносные сосуды не станут отчетливо видны темно-коричневого цвета, окружающие ткани станут розовыми, а микрососуды слегка красноватыми. Для приготовления контрастного вещества растворите газ SF6 и лиофилизированный порошок контрастного вещества в пяти миллилитрах 0,9% хлорида натрия. Энергично встряхните смесь до образования микропузырьков, или суспензии MB, с конечной концентрацией SF6 восемь микролитров на миллилитр. Наберите 0,8 миллилитра суспензии MB в одномиллилитровый шприц, прикрепленный к микроинъекционному насосу. Введите иглу 26 калибра с катетером в вену хвоста крысы и сделайте инъекцию. Перед визуализацией установите зонд с центральной частотой 15,625 мегагерц на манипулятор стереотаксического инструмента мозга, оснащенный зажимом. Расположите ультразвуковой зонд непосредственно над мозгом крысы и нанесите соединительный гель на поверхность мозга, чтобы обеспечить оптимальную передачу сигнала. Откройте основной интерфейс программного обеспечения, который объединяет атлас мозга с программами управления моторными движениями. Установите точку BGMA в качестве начала координат и используйте дисплей программного обеспечения в режиме реального времени для мониторинга траектории зонда и соответствующего местоположения среза мозга крысы. Выберите целевую плоскость изображения, например BGMA минус один миллиметр. Запустите программное обеспечение MATLAB 2021a и введите скрипт сбора данных в MATLAB 2021a. В корневом каталоге введите "activate" в окне командной строки, чтобы активировать среду выполнения. Затем установите начальную и конечную глубины сбора данных на пяти и 120 длинах волн соответственно, чтобы эффективно захватить интересующую область. Установите углы поворота коробки передач плоской волны от минус пяти градусов до пяти градусов с шагом 2,5 градуса для повышения разрешения и контрастности изображения. Ультразвуковая локализионная микроскопия позволила получить четкую визуализацию микрососудов на глубине до 12 миллиметров. Анализ полной ширины в половине максимума показал, что наименьший обнаруживаемый диаметр сосуда составляет 13 микрометров. Кольцевая корреляция Фурье подтвердила пространственное разрешение микрососудистой визуализации в 12,5 мкм. Направления кровотока в поперечном срезе мозга крысы демонстрировали нисходящий поток в мелких корковых артериях и восходящий поток в небольших венах, представленных синим и красным цветами соответственно. Карта скоростей показала более высокие скорости потока в больших судах, причем большинство скоростей сосредоточено в диапазоне от 10 до 25 миллиметров в секунду. Визуализация модели крысы с глиобластомой показала аномальное расширение сосудов, структурные аномалии вблизи опухоли, измененные схемы кровотока в области опухоли и гетерогенный сосудистый поток внутри и вокруг опухоли.