通過貝塞爾光束雙光子顯微鏡檢測毛細血管血液循環(huán)問題的新方法，可能會導致相關(guān)疾病的治療方法的發(fā)展。

國際光電工程學會

9月13日消息

對于血流和氧氣供應的變化，大腦可能是最敏感的器官。即使是短暫的毛細血管血流中斷（或稱“失速”）也可能表明急性神經(jīng)系統(tǒng)問題。有證據(jù)表明，阿爾茨海默病和帕金森病等慢性疾病與失速事件（stalling events）密切相關(guān)。因此，研究失速的影響可能會導致這種疾病的治療方法的發(fā)展。

然而，盡管在過去的幾十年里，醫(yī)學成像取得了巨大的進步，但識別毛細血管中的失速仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。光學相干斷層掃描（Optical coherence tomography ，OCT）是目前監(jiān)測小體積內(nèi)毛細血管的最佳方法。但是這種方法存在時間分辨率差的問題，這意味著它只能捕獲長時間的失速事件。此外，分析通過 OCT 收集的數(shù)據(jù)以確定失速事件需要大量的手工工作。

John Giblin 博士

在最近發(fā)表在國際光電工程學會（International Society for Optics and Photonics，SPIE）期刊《神經(jīng)光子學》（Neurophotonics）上的一項研究中，由美國波士頓大學（Boston University，BU）的 John Giblin 博士領(lǐng)導的一個研究小組試圖解決這些問題。利用定制的裝置，研究人員展示了一種名為貝塞爾光束雙光子顯微鏡（Bessel beam two-photon microscopy）的技術(shù)的潛力，該技術(shù)可以獲得腦毛細血管的容積圖像。此外，該團隊還提出了一種創(chuàng)新的分析方法，可以半自動地識別失速事件。論文題目“貝塞爾光束雙光子顯微鏡高通量檢測毛細管失速事件”（ High throughput detection of capillary stalling events with Bessel beam two-photon microscopy）。

研究于2023年9月12日發(fā)表在《Neurophotonics》（最新影響因子：5.3）雜志上

但什么是貝塞爾光束雙光子顯微鏡？雙光子顯微鏡是一種廣泛使用的成像方式，它利用激光激發(fā)樣品中的熒光分子。發(fā)光必須同時發(fā)生兩個光子與熒光分子的碰撞，這可以大大降低背景雜波。此外，利用貝塞爾光束，一種具有獨特強度分布的激光束，使其能夠在相對較長的距離內(nèi)保持聚焦在狹窄的空間內(nèi)，使該技術(shù)更具前景。

由于這種方法，研究人員可以大約每兩秒獲得 713 × 713 × 120 μm3 體積內(nèi)所有毛細血管的清晰圖像。在這些圖像中，通過聚焦紅血球的運動，可以直接檢測到失速，紅血球以陰影的形式出現(xiàn)。如果細胞停留在毛細血管內(nèi)的同一位置連續(xù)兩幀或更多幀，這意味著毛細血管內(nèi)的血液流動已經(jīng)停止。

與 OCT 相比，使用貝塞爾光束雙光子顯微鏡的方法可以更快地生成圖像，提供更好的時間分辨率。然而，這種設(shè)置產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)只會加劇數(shù)據(jù)分析的問題。因此，該團隊提出了一種方法，可以更容易地識別失速事件。

所提出的分析程序依賴于這樣一個事實，即在雙光子圖像中沿失速毛細血管的強度將保持相對不變。研究人員實現(xiàn)了一種算法來計算單個毛細血管的幀間強度相關(guān)性，高相關(guān)性意味著毛細血管已經(jīng)停止運轉(zhuǎn)。通過可視化計算出的相關(guān)性，而不是原始的強度圖像，研究人員發(fā)現(xiàn)識別失速事件更容易、更快。

研究小組通過小鼠體內(nèi)實驗測試了他們的半自動數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以探索卒中前后失速的變化。提出的策略將分析所需的時間縮短了一半。此外，可視化強度相關(guān)性被證明比“盲目”觀察原始圖像更可靠地檢測失速。與 OCT 不同，這種成像策略也能夠檢測到短暫的失速事件。

此外，貝塞爾光束雙光子顯微鏡使血管直徑的估計基于熒光強度。為了展示這一特征，研究人員調(diào)查了失速事件與動脈擴張之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)擴張的血管可以短暫地減少失速。

《神經(jīng)光子學》副主編、約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University，JHU）眼科學和生物醫(yī)學工程教授 Ji Yi 評論道：“綜合來看，這項研究的發(fā)現(xiàn)證明了貝塞爾光束雙光子顯微鏡在探索大腦循環(huán)系統(tǒng)的復雜運作及其對神經(jīng)系統(tǒng)健康的影響方面的力量。”

在不久的將來，檢測失速的全自動方法有望幫助科學家調(diào)查、診斷和評估腦部疾病的治療方法。

創(chuàng)立于1839年的波士頓大學

參考文獻

Source：International Society for Optics and Photonics

New method for detecting blood circulation problems in brain capillaries

Reference：

John Giblin et al, High throughput detection of capillary stalling events with Bessel beam two-photon microscopy, Neurophotonics (2023). DOI: 10.1117/1.NPh.10.3.035009

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       原文標題 : 檢測腦毛細血管血液循環(huán)問題的新方法