《Nature》研究成果：可穿戴光聲纖維鏡實時成像自由活動小鼠腦血氧
這項突破性研究由美國伊利諾伊大學香檳分校Yong Xu團隊完成，成果發表于《Nature Communications》期刊，論文題為《A Wearable Photoacoustic Fiberscope for Cerebral Hemodynamics Imaging in Freely Moving Mice》。研究團隊耗時多年，通過光纖傳感器的微型化設計和MEMS掃描技術的優化，將原本龐大的光聲顯微鏡“濃縮”成僅4.5克的頭戴式探頭，成功攻克了自由活動動物成像的難題。這一成果不僅被《自然》系列期刊列為年度亮點，更被國際同行評價為“重新定義了腦氧合成像的可能性”。
重要發現
01自由活動狀態下的腦氧合動態監測
傳統腦成像技術（如雙光子顯微鏡）依賴熒光標記且需固定動物頭部，無法反映真實生理狀態。光聲纖維鏡則通過雙波長激光激發（532nm和558nm）和光纖超聲傳感器，實現了對清醒小鼠大腦的連續成像。實驗中，研究人員觀察到：當小鼠從麻醉狀態蘇醒并自由活動時，靜脈血氧飽和度顯著下降，這與腦耗氧量增加直接相關。更令人驚嘆的是，該技術能捕捉到單個血管對高濃度CO2刺激的響應差異——動脈sO2上升、靜脈sO2下降，這種精準的動態變化為理解神經血管耦合機制提供了直接證據。
在肥胖小鼠模型中，光聲纖維鏡發現其腦血管對缺氧刺激的反應明顯減弱：血管直徑變化幅度僅為健康小鼠的60%，血氧飽和度波動范圍縮小30%。這一現象表明，肥胖可能通過損害血管內皮功能，導致腦血管自我調節能力下降。此外，研究還對比了麻醉與自由活動狀態下小鼠的腦氧合響應差異——麻醉劑異氟烷會擴張血管、增加血流量，但同時也會掩蓋部分病理信號，提示傳統麻醉實驗可能存在局限性。
03單血管分辨率的突破
光聲纖維鏡的橫向分辨率高達9μm，足以分辨毛細血管級別的結構。通過光柵掃描技術（1.2mm×1.2mm視場），研究人員首次觀察到小鼠腦皮層中動脈與靜脈的氧合差異：動脈sO2約為90%，靜脈則降至60%，這與理論值高度吻合。這種“血管級”的精準成像能力，為研究局部腦區的代謝活動提供了前所未有的細節。
創新與亮點
01從臺式設備到可穿戴探頭的革命性跨越
傳統光聲顯微鏡體積龐大，需固定動物頭部，而光聲纖維鏡通過光纖激光器的聲光調制技術和MEMS微機電掃描器，將整個成像系統壓縮至4.5克，僅相當于小鼠體重的5%。其頭戴式設計借助永磁體與小鼠顱骨固定，光纖采用抗纏繞材料，確保小鼠在自由活動時仍能保持穩定成像。這一突破徹底解決了傳統技術對動物行為的限制，使長期動態研究成為可能。
與依賴熒光標記的技術（如雙光子顯微鏡）不同，光聲纖維鏡利用血紅蛋白對激光的內源性吸收特性，直接實現血氧飽和度的量化。這意味著無需對動物進行復雜的基因改造或注射外源性造影劑，既簡化了實驗流程，又避免了標記物對生理狀態的干擾。例如，在缺氧實驗中，研究人員無需額外標記即可實時觀察到血紅蛋白氧合狀態的變化，大大提高了數據的真實性。
03多參數融合的功能成像
除血氧飽和度外，光聲纖維鏡還能同步測量血紅蛋白濃度、血管直徑和氧攝取分數（OEF）等參數。通過雙波長光聲信號解算算法，系統可精確區分氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的貢獻，進而計算出OEF——這一反映組織氧代謝效率的關鍵指標。這種“一站式”功能成像能力，為揭示腦功能與代謝的關系提供了多維數據支持。
總結與展望
光聲纖維鏡的誕生標志著腦成像技術從“靜態觀察”向“動態解析”的重大轉變。其可穿戴性、高分辨率和多參數測量能力，不僅為自由活動動物模型的研究提供了理想工具，也為人類腦疾病（如中風、阿爾茨海默病）的病理機制探索開辟了新方向。未來，該技術有望與其他成像模態（如雙光子顯微鏡）結合，實現神經活動與血管功能的同步觀測；同時，進一步優化探頭靈敏度和成像速度，可拓展至更深層腦組織或更復雜行為范式的研究。
從基礎科研到臨床轉化，光聲纖維鏡的應用前景廣闊。例如，在急重癥醫學中，它可用于實時監測患者腦氧合狀態，指導精準治療；在藥物研發中，它能評估候選藥物對腦血管的作用效果。隨著技術的不斷迭代，我們有理由相信，光聲纖維鏡將成為解開大腦奧秘的“金鑰匙”，推動神經科學與醫學領域的跨越式發展。
論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Zhong X, Liang Y, Wang X, Lan H, Bai X, Jin L, Guan BO. Free-moving-state microscopic imaging of cerebral oxygenation and hemodynamics with a photoacoustic fiberscope. Light Sci Appl.
DOI:10.1038/s41377-023-01348-3.
