EVIDENT雙光子顯微鏡助力開發高時空分辨率血管動力學分析算法
本文作者：西湖大學生命科學學院特聘副教授賈潔敏研究團隊
浙江省西湖大學生命科學學院
2024年5月31日，浙江省西湖大學生命科學學院特聘副教授賈潔敏研究團隊在國際腦血流與代謝國際學會權威官方期刊：
Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism
發表了題為"High-resolution vasomotion analysis reveals novel arteriole physiological features and progressive modulation of cerebral vascular networks by stroke"的論文。
該研究針對當前血管動力學領域內血管運動量化方法稀缺的現狀，以雙光子活體血管顯微成像技術為主要研究工具，提出了系統的血管動力學綜合分析方法。通過這項新方法，賈潔敏團隊發現了腦血管兩側血管壁的不對稱運動，驗證了各種麻醉劑對小鼠血管運動的影響，確定了不同直徑等級的動脈血管運動特征，計算了平滑肌細胞中鈣離子濃度增加導致動脈收縮的具體延遲時間等。
此外，團隊成員還追蹤研究了中風對動脈血管運動的持續性打擊。賈潔敏團隊的研究結果加深了對血管運動的理解，對腦血管網絡和缺血性卒中特征的研究具有直接意義。
自發血管運動（Spontaneous Vasomotion）表示血管平滑肌細胞節律性的自發收縮與舒張，會進一步引起血管壁振動，并影響血流量和組織的血液與營養物質供應。它是獨立于心臟跳動、神經支配或呼吸的血管壁張力的自發振蕩。
自發血管運動最早于1852年由Thomas在蝙蝠翅膀上被首次觀察到，而自發腦血管運動（Spontaneous cerebral vasomotion）于1981年由Auer在貓腦膜動脈上被首次觀察到，而對于自發血管運動產生的完整機制和生理重要性至今仍未明確闡明。一方面是由于21世紀前高時空分辨率活體成像設備的缺乏，自發血管的圖像信息難以準確提取；而近年來雙光子活體顯微成像技術的問世克服了這一困難，這項技術成功提取了高時空分辨率的血管圖像，但受限于沒有全面系統的自發血管運動的分析方法，其研究僅僅停留在淺層的血管運動現象闡述。
基于此，生命科學學院的賈潔敏團隊花費了近2年的時間成功實現血管動力學分析方法的從無到有，這項血管動力學分析方法集成了多種算法，包括血管直徑與半徑計算、頻譜分析、基線平滑、異常值檢測、動態時間規劃、滑動交叉相關分析等，從九個角度全面刻畫腦血管運動。這項新方法不僅描述了生理狀況下小鼠腦動脈血管運動的基本特征，還實時追蹤分析（0-14天）缺血性中風條件下小鼠腦動脈血管運動。
圖1. 血管動力學分析方法流程圖
在此項研究中，賈潔敏團隊首先從腦自發血管運動的運行機制出發，驗證了動脈血管上平滑肌細胞內的鈣離子振蕩是動脈血管發生收縮舒張的基礎，在中風前觀察到小鼠腦血管上的平滑肌細胞內鈣離子的節律振蕩，在小鼠大腦中動脈阻斷（Middle Cerebral Artery Occlusion）2h模型建立期間，賈潔敏團隊觀察到小鼠腦內發生多次擴散性去極化現象（Spreading depolarization），伴隨著平滑肌細胞內鈣離子平衡嚴重失調，而后小鼠的腦血管自發運動隨著擴散去極化現象的多次發生遭遇累計損害，在小鼠大腦中動脈阻斷2h后的再灌注期間，平滑肌細胞內的鈣振蕩和腦血管自發血管運動遭遇持續損傷，并在再灌注14后仍未得到徹底恢復。
綜上，通過嚴謹的實驗和縝密的數據分析方法，賈潔敏團隊針對當前血管動力學領域內血管運動量化方法稀缺的現狀，提出了全面且系統的血管動力學分析方法，進一步地，證明了腦動脈血管自發運動在腦血流調節尤其是缺血性中風后改善無血流現象存在極大價值。這些研究結果為大家理解大腦血管動力學機制提供了新的角度，并為探索腦卒中的治療策略開辟了一條嶄新的方向。
圖2.缺血性中風條件下小鼠腦動脈血管運動特征的變化情況
文章中，小鼠的活體腦血管顯微成像與血管平滑肌細胞GCaMP6s標記的鈣信號成像均采用Evident的雙光子顯微鏡FVMPE-RS進行屏掃和線掃的圖像采集。FVMPE-RS特殊的光路設計、大空間的龍門架機型以及深焦模式，配合高時間和空間的成像分辨率，更適合于小鼠等活體動物各個部位的深層成像，還可以搭配跑步機實現活體動物的清醒成像。
圖3. Evident雙光子顯微鏡FVMPE-RS
FVMPE-RS性能優越簡單易用，是科研人員進行活體成像研究的利器。而FV4000MPE作為Evident全新的第五代雙光子系統，繼續突破創新。FV4000MPE采用了專利的SilVIR檢測器（專利號US11237047），其成像速度、成像視野、圖像動態范圍以及信噪比等方面，與FVMPE-RS相比都有了更進一步的提升。
圖4. FV4000/FV4000MPE定制解決方案，同一系統，多種可能
西湖大學生命科學學院特聘副教授賈潔敏為本文的通訊作者，西湖大學2021級博士生張益溢，助理研究員李金澤以及西湖大學2021級博士生謝蕙祺為本文共同第一作者。助理研究員李金澤與謝蕙祺博士在腦血管的雙光子數據圖像采集上均做出了重要貢獻，賈潔敏團隊的其他成員都在課題開展期間提出了寶貴的意見與建議。
西湖大學的辦學定位關鍵在于九個字——小而精、高起點、研究型，其中研究型重點指學科交叉。這篇文章正是學科交叉的結晶，西湖大學2021級博士生張益溢的碩士專業為光學工程，正是因為他在碩士期間學習掌握的光學成像知識以及夯實的算法基礎，幫助他在賈潔敏團隊發光發熱，使他與助理研究員李金澤的課題合作相得益彰。張益溢與李金澤二人在學科交叉的火花中互幫互助，汲取精華，最終在賈潔敏導師的悉心指導下收獲這一豐厚果實。
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