新型成像策略實現小鼠無創、長期腦成像

　　近日，南方科技大學生物醫學工程系教授奚磊團隊成功開發出一套光聲計算介觀成像系統(PACMes)，實現了通過對小鼠完整頭皮和顱骨腦皮層血管網絡進行無標記的長期、高分辨率可視化成像。相關成果發表于《科學進展》。

　　無創長期腦成像技術是解析大腦生理功能、探究腦疾病病理機制的關鍵手段，實現對疾病全過程的動態監測。但小鼠的頭皮、顱骨等復雜結構會造成光折射、強散射和超聲衰減，嚴重影響成像效果。無創成像技術如近紅外II區熒光成像，存在熒光光漂白和代謝清除問題，超聲定位顯微鏡需要反復注射微泡造影劑，光聲計算層析成像則受限于低頻超聲的衍射極限，難以實現長期無創高分辨率成像。

　　為此，研究團隊提出了全新的PACMes成像策略，通過近紅外光學激發、低頻聲學檢測、計算重建三大維度的協同優化，構建了一體化的無創光聲成像系統。該系統不僅實現了對完整頭皮和顱骨的高效穿透，降低光散射干擾，以及對光聲信號的高靈敏度全視角檢測，大幅降低了生物組織的聲衰減影響，還實現了背景偽影的有效抑制，最終達到全視野各向同性高分辨率成像。

研究示意圖。南方科技大學供圖

　　測試發現，該系統無需外源性造影劑，可實現完整頭皮與顱骨直徑13毫米視野成像，覆蓋小鼠全大腦皮層，空間分辨率達33微米，且支持5個月以上的連續監測。團隊還設計了速度校準與坐標校準雙模型，并結合深度學習自監督恢復算法，將所需掃描角度從180個縮減至18個，成像速度提升了10倍，同時有效抑制了由組織聲速不匹配引發的偽影，提升了圖像的結構保真度。

　　在輕度缺血性中風小鼠模型中，團隊利用該系統實現了超5個月的動態監測，清晰捕捉到了梗死區血管密度先升后降再恢復基線的完整變化過程，并在無創條件下觀測到造模后72小時梗死區新生側支循環的關鍵病理特征，為卒中后的血管修復機制研究提供了直觀依據。在腦膠質瘤小鼠模型中，PACMes系統成功追蹤到腫瘤生長過程中血管形態扭曲，以及矢狀竇受壓變形等典型病理表現，其成像結果與核磁共振檢測、組織病理染色結果高度吻合，達成了腫瘤血管重構的無創全程監測。

　　該研究實現了無創、無標記、高分辨率的長期腦皮層血管成像，相較于現有技術，無需對實驗動物進行侵入性操作，避免了造影劑代謝負擔和光漂白對長期成像的影響，為腦疾病的慢性病程監測提供了理想工具。

　　未來，結合更高數值孔徑物鏡和多光譜激發策略，PACMes技術還可實現毛細血管級別的全腦功能成像，并進一步拓展至血氧、脂質等多參數的腦代謝監測，為阿爾茨海默病、癲癇等更多腦血管相關疾病的病理機制研究和治療效果評估開辟了新的技術路徑。

　　相關論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea1602