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Science Advances | 光/聲非侵入腦機(jī)接口實現(xiàn)自由活動神經(jīng)血管耦合成像
神經(jīng)血管耦合（Neurovascular Coupling,NVC）是大腦神經(jīng)活動對局部血流、血氧動態(tài)調(diào)節(jié)的一種功能機(jī)制，也是腦機(jī)接口功能成像神經(jīng)活動的核心目標(biāo)。當(dāng)神經(jīng)元活躍時，其代謝需求增加，鄰近血管通過擴(kuò)張和血氧調(diào)節(jié)進(jìn)行快速響應(yīng)，從而保障大腦神經(jīng)活動能量供應(yīng)。這一機(jī)制是維持大腦正常功能的基礎(chǔ)，也是非侵入腦機(jī)接口獲取大腦信息的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)技術(shù)難以實現(xiàn)大腦神經(jīng)元和腦血流在體同步高時空分辨監(jiān)測，無法精準(zhǔn)獲得神經(jīng)元活動與附近血流、血氧動態(tài)信息的關(guān)聯(lián)；且大多數(shù)研究局限于頭部固定成像，無法真實反映自然行為狀態(tài)下的神經(jīng)血管耦合功能。
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像全國重點實驗室鄭海榮院士、劉成波研究員和鄭煒研究員團(tuán)隊，開發(fā)了一款重量1.7克的頭戴式成像顯微鏡，實現(xiàn)了自由活動小鼠神經(jīng)元活動與血氧代謝的同步高時空分辨成像，為大腦神經(jīng)血管耦合機(jī)制探索和腦機(jī)接口技術(shù)開發(fā)提供了新思路。研究成果以"Simultaneous head-mounted imaging of neural and hemodynamic activities at high spatiotemporal resolution in freely behaving mice"為題發(fā)表于Science Advances期刊。該工作得到了中國科學(xué)院先導(dǎo)B專項（XDB0930000）以及醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點實驗室資助，為先導(dǎo)B專項開展后續(xù)工作提供了關(guān)鍵技術(shù)。論文第一作者分別是陳寧波助理研究員、徐智強(qiáng)副研究員、宋政博士后和廖九零副研究員。合作團(tuán)隊包括中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院朱英杰研究員團(tuán)隊、香港理工大學(xué)賴溥祥教授團(tuán)隊、香港大學(xué)Kenneth K. Y. Wong教授團(tuán)隊。
研究團(tuán)隊通過微型化設(shè)計實現(xiàn)了共聚焦熒光顯微鏡（CFM）和光聲顯微鏡（PAM）的高效整合與同步，構(gòu)建了重量僅1.7克的雙模態(tài)成像探頭，可在自由活動小鼠實現(xiàn)高時空分辨率的神經(jīng)血管同步成像。成像分辨率達(dá)到1.5微米，成像速度為0.78 Hz，視野范圍400微米×400微米。通過系統(tǒng)硬件與算法創(chuàng)新，實現(xiàn)了大腦血氧代謝成像，并同步記錄神經(jīng)元鈣信號活動。
01?微型化雙模態(tài)成像技術(shù)
本研究核心技術(shù)之一是雙模態(tài)成像的輕量化集成。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受限于光學(xué)器件體積與信號采集復(fù)雜性，難以兼顧高分辨率與動物行為自由度，無法實現(xiàn)神經(jīng)血管同步成像。研究團(tuán)隊通過創(chuàng)新設(shè)計實現(xiàn)了技術(shù)突破。
多模態(tài)融合
CFM追蹤神經(jīng)元鈣信號活動，PAM無標(biāo)記檢測血氧飽和度（sO?）、總血紅蛋白（HbT）、含氧/脫氧血紅蛋白（HbO/HbR）含量及血管直徑的多參量變化。
輕量化設(shè)計
采用高靈敏微型壓電超聲換能器（0.4 mm×0.5 mm）替代傳統(tǒng)大尺寸聲學(xué)傳感器；搭載雙軸微型MEMS振鏡實現(xiàn)成像掃描；配合定制化微型物鏡等光學(xué)元件，突破CFM/PAM雙模態(tài)融合成像的物理約束。通過單根光纖同時傳輸三種激光波長（488/558/570nm）并收集熒光信號，保證了系統(tǒng)輕量化集成。
抗干擾優(yōu)化
通過拉曼光纖技術(shù)實現(xiàn)PAM激發(fā)光譜與CFM發(fā)射光譜分離，避免了兩種模態(tài)同時成像的交叉干擾；采用具有聚酰亞胺涂層的光纖，抑制了光纖自發(fā)熒光干擾；對光纖進(jìn)行末端角度拋光與增透鍍膜處理，進(jìn)一步抑制背景噪聲。
02?多種應(yīng)用場景驗證技術(shù)性能
基于頭戴式顯微鏡，成功開展了小鼠自由活動下的腦功能和腦疾病成像實驗，展示了該技術(shù)在神經(jīng)血管耦合成像研究中的潛力。
全局缺氧挑戰(zhàn)下的神經(jīng)血管響應(yīng)
通過降低小鼠吸入氧氣濃度模擬缺氧環(huán)境，發(fā)現(xiàn)小鼠神經(jīng)元在缺氧刺激下呈現(xiàn)異質(zhì)性響應(yīng)：部分神經(jīng)元胞體鈣信號顯著增強(qiáng)（△F/F增強(qiáng)97%），另一些則被抑制（△F/F降低49%）。血管同步成像結(jié)果顯示，缺氧導(dǎo)致整體血管sO?下降36%，大部分血管出現(xiàn)直徑擴(kuò)張（最高可達(dá)37%）。通過進(jìn)一步分析神經(jīng)元鈣動態(tài)與sO?變化之間的相關(guān)性，揭示了神經(jīng)元群體不同的氧依賴性特征，實現(xiàn)了不同神經(jīng)元類別的分類。
局部軀體感覺刺激下的神經(jīng)血管調(diào)控
在自由活動小鼠四肢施加快速電流刺激，可發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的軀體感覺皮層神經(jīng)元被顯著激活，鈣信號峰值最高達(dá)到基線的202%，同時皮層小動脈血氧上升22%（小靜脈僅6.7%）。高分辨率光聲成像結(jié)果顯示，在電刺激時小動脈出現(xiàn)顯著舒張，體現(xiàn)了小動脈對維持腦區(qū)氧儲備的主動調(diào)控；而小靜脈擴(kuò)張變化相對微弱，更多反映的是上游血流變化的被動結(jié)果。通過神經(jīng)-血管鄰接矩陣關(guān)聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)小動脈與神經(jīng)元活動表現(xiàn)出更強(qiáng)的相關(guān)性。
癲癇發(fā)作的神經(jīng)血管耦合特征
在癲癇急性發(fā)作實驗中，研究人員利用戊四唑（PTZ）誘導(dǎo)小鼠癲癇模型，觀察到癲癇爆發(fā)前低強(qiáng)度高頻神經(jīng)放電導(dǎo)致的血氧消耗（sO?下降9.88%）與部分血管異常擴(kuò)張（直徑增加36%）。這種先于癲癇猝發(fā)放電的氧消耗和血管擴(kuò)張，可為癲癇干預(yù)治療提供潛在的時間窗口。
03?未來展望
該項研究首次實現(xiàn)了對自由活動小鼠大腦神經(jīng)元活動與血液動力學(xué)的同步高時空分辨成像，為解析神經(jīng)血管耦合機(jī)制和開發(fā)新一代腦機(jī)接口技術(shù)提供了新思路。
未來研究可以在成像技術(shù)和腦機(jī)接口應(yīng)用兩個層面繼續(xù)推進(jìn)。在成像技術(shù)方面，將繼續(xù)優(yōu)化頭戴式顯微鏡的性能，進(jìn)一步擴(kuò)大成像視場，提高成像景深和速度，并探索融合多光子熒光顯微成像等其它模態(tài)，以滿足更廣泛的研究需求。在腦機(jī)接口應(yīng)用方面，可探索頭戴成像技術(shù)應(yīng)用于靈長類動物腦功能信息非侵入讀取，利用神經(jīng)血管耦合機(jī)制精準(zhǔn)解析大腦功能活動，為阿爾茨海默病、卒中等腦疾病開發(fā)新的治療策略和干預(yù)措施提供科學(xué)依據(jù)。
文章上線截圖
（A）頭戴式光聲/熒光雙模態(tài)成像平臺；（B）雙模態(tài)激發(fā)與發(fā)射光譜；（C）微型化成像探頭設(shè)計；（D）小鼠頭戴式自由活動；（E）成像視場標(biāo)定，標(biāo)尺：50 μm；（F-G）分辨率標(biāo)定，標(biāo)尺：40 μm。
（A）小鼠癲癇模型誘導(dǎo)；（B）小鼠正常活動與癲癇發(fā)作時的神經(jīng)元鈣活動信號和血氧飽和度（左），以及代表性雙模態(tài)融合圖（右）；（C）癲癇波傳輸過程記錄。標(biāo)尺：50 μm。
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