功能性超聲(fUS)技術揭示小鼠飲水行為中的全腦神經活動動態
功能超聲（functional ultrasound，fUS）是一種新興的腦功能成像以及超高分辨率血流成像（Ultrasound Localization Microscopy, ULM）技術，突破性地實現了清醒動物上非侵入式的全腦功能檢測以及中樞和外周的血流檢測，具有非常高的時間空間分辨率與靈敏度，深度可達2厘米。在腦功能成像方面，fUS能夠記錄癲癇等一過性現象的全過程；在血流成像方面，fUS-ULM能夠以5 μm的分辨率對血流密度及血流動力學信息進行成像。
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利用fUS成像技術研究小鼠飲水行為中的全腦神經響應模式
我們搭建了一個簡單的小鼠飲水裝置，每隔一段時間讓小鼠喝一次水，在給水前3秒給出一個聲音提示，在這個過程中采用法國ICONEUS公司研發的功能性超聲成像系統采集小鼠全腦的功能成像。
視頻1. 頭部固定小鼠飲水的視頻。視頻來源：禮智生物科技
圖1. 飲水實驗中小鼠全腦功能成像。圖來源：禮智生物科技
實驗結果十分有趣，飲水這個行為可以穩定地激活全腦多個特異性的腦區。
我們將小鼠8次飲水的圖像做了多種處理，可以清晰地看到飲水這個行為激活的區域。
首先，應用軟件計算各個像素點與給水的相關性，得到飲水行為的全腦激活地圖。
圖2. 飲水行為的全腦激活地圖。圖來源：禮智生物科技
對 8 個 trial 給水時間段作平均的相對CBV圖，得到相似的結果。
圖3. 平均給水時間段內的相對CBV圖。圖來源：禮智生物科技
可以看到給水時間段內，嘴部和鼻子相關的感覺皮層明顯的激活，除此以外，初級、次級運動皮層、紋狀體、丘腦、中腦內側膝狀體, p1Rt網狀結構等均出觀察到明顯激活，再往后腦橋網狀核也出現從前至后的大范圍激活。另外也有很多腦區出現明顯的負相關，包括前扣帶回皮層、背側紋狀體、背側海馬、下丘腦等等。
為了更加直觀地看到小鼠飲水中各腦區的變化過程，我們制作了平均 trial 的相對CBV動圖，這里展示有代表性的幾個位置切片。
視頻2. 平均trial的相對CBV動圖_slice 2。視頻來源：禮智生物科技
視頻3. 平均trial的相對CBV動圖_slice 6。視頻來源：禮智生物科技
視頻4. 平均trial的相對CBV動圖_slice 8。視頻來源：禮智生物科技
視頻5. 平均trial的相對CBV動圖_slice 11。視頻來源：禮智生物科技
視頻6. 平均trial的相對CBV動圖_slice 16。視頻來源：禮智生物科技
在這里可以看到，很多腦區的活動增加在給水之前的cue聲音出現時就出現了。
接下來，為了能夠看到激活腦區之間是否存在時間上的先后關系，我們提取了大量腦區的CBV曲線，得到了8個trial平均的相對CBV條帶熱圖。
圖4. 100多個腦區的條帶熱圖。圖來源：禮智生物科技
圖5. 300多個腦區的條帶熱圖。圖來源：禮智生物科技
將腦區分得更細后可以更加清晰地看到不同腦區的激活之間存在明顯的時間先后。
總結
利用fUS技術研究小鼠飲水時的全腦活動，發現飲水行為可引發多腦區激活，包括感覺/運動皮層、紋狀體、丘腦等，部分區域（如海馬、下丘腦）則抑制。動態分析顯示不同腦區激活存在時序差異，揭示飲水行為的神經調控網絡。
希望我們的實驗能為大家提供一些參考，如果您感興趣，歡迎聯系我們探討！（聯系方式見文末）
