近日，暨南大學教授關柏鷗團隊研制出一種頭戴式顯微鏡，能夠對自由運動狀態的小動物進行腦功能成像，以單血管分辨率觀察腦皮質層的氧合功能及其動態變化，為腦科學及急重癥醫學研究提供了新的影像學技術。相關成果發表于《光：科學與應用》。
該頭戴式顯微鏡是基于光聲成像原理實現的，以光纖引導脈沖激光激發生物組織產生超聲信號，通過光纖超聲傳感器探測光聲信號獲得目標成分的空間分布。利用血紅蛋白對激光的內源性吸收，不僅能夠提供高對比度的血管圖像，還能實現血氧飽和度的量化表征。
研究人員憑借首創的雙頻干涉光纖超聲傳感技術，將超聲信號轉換為激光頻率變化并進行信號放大，以光外差探測方式實現信號讀出。光纖超聲傳感器只有頭發絲般粗細，其靈敏度比同尺寸壓電傳感器高出兩個數量級，并具有優良的抗干擾能力。該技術克服了傳統壓電傳感器固有的尺寸與靈敏度之間制約關系導致光聲成像探頭難以小型化的瓶頸問題，使得實現小型化、高性能的光聲顯微鏡成為可能。光聲成像探頭重量僅4.5克，能夠以9微米的橫向分辨率和0.2赫茲的幀速率，在1.2毫米區域內連續監測腦皮層血氧飽和度的分布和外界刺激下氧合狀態的變化。
研究人員將光聲顯微鏡佩戴在小動物頭上，獲得了從麻醉到蘇醒過程中的動態腦成像結果。在麻醉狀態下，腦皮層活躍程度低、耗氧量較小，動靜脈血氧飽和度幾乎無差異。蘇醒至自由運動狀態后，由于腦的耗氧量有所提升，靜脈血氧飽和度顯著降低。
研究人員還利用該顯微鏡對小動物吸入氮氣、二氧化碳等不同氣體下腦氧合狀態的變化進行了實時觀察，發現小動物在麻醉與自由運動狀態下的響應也明顯不同。進一步利用該顯微鏡對疾病狀態下小動物的腦氧合狀態進行觀察。成像結果顯示，在缺氧等刺激下，患有肥胖癥的小動物的血管直徑、血氧飽和度的變化幅度均不如健康動物，表明肥胖癥可能使腦血管的自我調節能力受損。
該研究實現的光纖光聲顯微鏡具有體積小巧、靈敏度高、分辨率高、成像方式靈活等技術優勢，能夠更好地滿足腦科學及醫學需求。目前，該技術已提供給急重癥醫學研究團隊，用于研究不同疾病對腦功能產生的損傷機制，為精準制定救治方案提供科學依據。此外，該顯微鏡未來能與雙光子顯微鏡、寬場熒光顯微鏡等相結合，就神經血管耦合等生理現象及其機制進行觀察，對阿爾茨海默癥等疾病引發的腦損傷機理進行研究。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01348-3
本文鏈接：小動物頭戴式光纖光聲顯微鏡研制成功http://m.sq15.cn/show-11-2298-0.html
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