《Nature》研究成果：可穿戴光聲纖維鏡實時成像自由活動小鼠腦血氧_abio生物試劑品牌網(wǎng)
這項突破性研究由美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校Yong Xu團隊完成，成果發(fā)表于《Nature Communications》期刊，論文題為《A Wearable Photoacoustic Fiberscope for Cerebral Hemodynamics Imaging in Freely Moving Mice》。研究團隊耗時多年，通過光纖傳感器的微型化設(shè)計和MEMS掃描技術(shù)的優(yōu)化，將原本龐大的光聲顯微鏡“濃縮”成僅4.5克的頭戴式探頭，成功攻克了自由活動動物成像的難題。這一成果不僅被《自然》系列期刊列為年度亮點，更被國際同行評價為“重新定義了腦氧合成像的可能性”。
重要發(fā)現(xiàn)
01自由活動狀態(tài)下的腦氧合動態(tài)監(jiān)測
傳統(tǒng)腦成像技術(shù)（如雙光子顯微鏡）依賴熒光標記且需固定動物頭部，無法反映真實生理狀態(tài)。光聲纖維鏡則通過雙波長激光激發(fā)（532nm和558nm）和光纖超聲傳感器，實現(xiàn)了對清醒小鼠大腦的連續(xù)成像。實驗中，研究人員觀察到：當(dāng)小鼠從麻醉狀態(tài)蘇醒并自由活動時，靜脈血氧飽和度顯著下降，這與腦耗氧量增加直接相關(guān)。更令人驚嘆的是，該技術(shù)能捕捉到單個血管對高濃度CO2刺激的響應(yīng)差異——動脈sO2上升、靜脈sO2下降，這種精準的動態(tài)變化為理解神經(jīng)血管耦合機制提供了直接證據(jù)。
在肥胖小鼠模型中，光聲纖維鏡發(fā)現(xiàn)其腦血管對缺氧刺激的反應(yīng)明顯減弱：血管直徑變化幅度僅為健康小鼠的60%，血氧飽和度波動范圍縮小30%。這一現(xiàn)象表明，肥胖可能通過損害血管內(nèi)皮功能，導(dǎo)致腦血管自我調(diào)節(jié)能力下降。此外，研究還對比了麻醉與自由活動狀態(tài)下小鼠的腦氧合響應(yīng)差異——麻醉劑異氟烷會擴張血管、增加血流量，但同時也會掩蓋部分病理信號，提示傳統(tǒng)麻醉實驗可能存在局限性。
03 單血管分辨率的突破
光聲纖維鏡的橫向分辨率高達9μm，足以分辨毛細血管級別的結(jié)構(gòu)。通過光柵掃描技術(shù)（1.2mm×1.2mm視場），研究人員首次觀察到小鼠腦皮層中動脈與靜脈的氧合差異：動脈sO2約為90%，靜脈則降至60%，這與理論值高度吻合。這種“血管級”的精準成像能力，為研究局部腦區(qū)的代謝活動提供了前所未有的細節(jié)。
創(chuàng)新與亮點
01從臺式設(shè)備到可穿戴探頭的革命性跨越
傳統(tǒng)光聲顯微鏡體積龐大，需固定動物頭部，而光聲纖維鏡通過光纖激光器的聲光調(diào)制技術(shù)和MEMS微機電掃描器，將整個成像系統(tǒng)壓縮至4.5克，僅相當(dāng)于小鼠體重的5%。其頭戴式設(shè)計借助永磁體與小鼠顱骨固定，光纖采用抗纏繞材料，確保小鼠在自由活動時仍能保持穩(wěn)定成像。這一突破徹底解決了傳統(tǒng)技術(shù)對動物行為的限制，使長期動態(tài)研究成為可能。
與依賴熒光標記的技術(shù)（如雙光子顯微鏡）不同，光聲纖維鏡利用血紅蛋白對激光的內(nèi)源性吸收特性，直接實現(xiàn)血氧飽和度的量化。這意味著無需對動物進行復(fù)雜的基因改造或注射外源性造影劑，既簡化了實驗流程，又避免了標記物對生理狀態(tài)的干擾。例如，在缺氧實驗中，研究人員無需額外標記即可實時觀察到血紅蛋白氧合狀態(tài)的變化，大大提高了數(shù)據(jù)的真實性。
03 多參數(shù)融合的功能成像
除血氧飽和度外，光聲纖維鏡還能同步測量血紅蛋白濃度、血管直徑和氧攝取分數(shù)（OEF）等參數(shù)。通過雙波長光聲信號解算算法，系統(tǒng)可精確區(qū)分氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的貢獻，進而計算出OEF——這一反映組織氧代謝效率的關(guān)鍵指標。這種“一站式”功能成像能力，為揭示腦功能與代謝的關(guān)系提供了多維數(shù)據(jù)支持。
總結(jié)與展望
光聲纖維鏡的誕生標志著腦成像技術(shù)從“靜態(tài)觀察”向“動態(tài)解析”的重大轉(zhuǎn)變。其可穿戴性、高分辨率和多參數(shù)測量能力，不僅為自由活動動物模型的研究提供了理想工具，也為人類腦疾?。ㄈ缰?a href="http://m.yhtao8.cn/tags-1017.html" target="_blank">風(fēng)、阿爾茨海默病）的病理機制探索開辟了新方向。未來，該技術(shù)有望與其他成像模態(tài)（如雙光子顯微鏡）結(jié)合，實現(xiàn)神經(jīng)活動與血管功能的同步觀測；同時，進一步優(yōu)化探頭靈敏度和成像速度，可拓展至更深層腦組織或更復(fù)雜行為范式的研究。
從基礎(chǔ)科研到臨床轉(zhuǎn)化，光聲纖維鏡的應(yīng)用前景廣闊。例如，在急重癥醫(yī)學(xué)中，它可用于實時監(jiān)測患者腦氧合狀態(tài)，指導(dǎo)精準治療；在藥物研發(fā)中，它能評估候選藥物對腦血管的作用效果。隨著技術(shù)的不斷迭代，我們有理由相信，光聲纖維鏡將成為解開大腦奧秘的“金鑰匙”，推動神經(jīng)科學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。
論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Zhong X, Liang Y, Wang X, Lan H, BAI X, Jin L, Guan BO. Free-moving-state microscoPIc imaging of cerebral oxygenation and hemodynamics with a photoacoustic fiberscope. Light Sci Appl.
DOI:10.1038/s41377-023-01348-3.
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