驅動神經科學研究的新一代高分辨率工具之功能超聲成像的介紹

圖1 代表性原始數據（左）和處理后數據（右），顯示了在清醒動物靜息狀態下，LPS 注射后 48 小時內，連續 100 幅圖像中逐像素的腦血容量變化情況。

“化療腦霧”與微血管功能障礙：
紫杉醇的長期影響^[2]
美國的研究團隊在小鼠中進行兩周期紫杉醇化療后，隨訪6個月，應用功能超聲成像（fUS）和ULM對全腦微循環功能進行評估。胡須刺激誘發的神經血管反應幅度顯著下降；ULM證實皮層和海馬微血管密度持續減少，同時大腦中動脈平均血流速度顯著降低。結果提示，紫杉醇可導致持久的微血管結構與功能損傷，這可能是化療相關認知功能減退（CICI）的潛在機制。研究強調fUS/ULM結合的優勢在于能夠非侵入、全腦、縱向追蹤血管健康變化，并提出未來可將微血管功能保護作為干預靶點，以緩解CICI的發生與發展。

圖2 紫杉醇治療會損害皮層的神經血管耦合（NVC）反應

多發性硬化動物模型的功能超聲評估：
血流反應作為潛在功能性指標^[3]
來自法國巴黎的研究團隊在小鼠銅離子螯合劑——cuprizone誘導的多發性硬化（MS）脫髓鞘模型中，利用功能超聲成像（fUS）首次評估了功能性血流反應的變化。結果顯示：皮層活躍像素數量增加，這些像素的穩態腦血容量（CBV）逐漸升高，且血流反應上升時間延長。這三項指標與髓鞘堿性蛋白（MBP）染色水平顯著相關，提示功能超聲成像（fUS）可定量反映髓鞘狀態。刺激后血流反應增強可能反映了一種功能受損后的適應性可塑性，與既往臨床觀察相一致。研究指出，功能超聲成像（fUS）適合在同一動物上進行長期追蹤，有望將血流動力學反應變化發展為MS動物模型的功能性生物標志，用于藥物篩選和療效評估。

圖3 來自小鼠研究的功能超聲（fUS）圖像示例，時間跨度為 0–7 周，顯示了胡須刺激后腦血容量（CBV）的變化：(A) 為對照動物；(C) 為經 cuprizone 處理并表現出多發性硬化（MS）特征性脫髓鞘的動物；請注意在第 3 周和第 5 周時反應的增強。

功能性超灌注的測量一致性：
fUS與激光散斑對比成像的比較^[4]
美國俄克拉荷馬大學研究團隊在年輕和老年小鼠上，比較了功能超聲成像（fUS）與激光散斑對比成像（LSCI）對胡須刺激誘發的功能性超灌注的測量結果。兩種方法的一致性極高（Pearson相關系數r=0.92），且隨年齡增加，反應幅度均明顯下降：LSCI由約10% 降至4%，fUS由約15% 降至4%。結果提示功能超聲成像（fUS）不僅是評估功能性超灌注的可靠替代，還因成像深度更大、靈敏度更高而在表層無法覆蓋的腦區具有優勢。研究進一步用ULM繪制微血管密度，并與免疫熒光染色結果對比，相關性良好（r=0.82），為功能超聲成像（fUS）在老齡相關血管功能障礙與神經退行性疾病研究中的應用提供了有力證據。

圖4  上：利用功能超聲（fUS）獲取的小鼠大腦額面和矢狀面圖像，展示了在動物安裝顱窗 14 天后，對胡須刺激所產生的功能性充血反應的比較。可以明顯看到，（上方）年輕動物與（下方）老齡動物之間反應的下降。右：代表性的超聲定位顯微（ULM）血管圖，以及用于與激光散斑對比成像（LSCI）進行比較的代表性 500 µm² 取樣區域。

靈長類自運動的單次試驗解碼：
fUS 揭示全腦前庭網絡的高精度讀出^[5]
近期，一項在獼猴中開展的研究利用功能超聲成像（fUS）從記錄的腦血容量（CBV）信號中解碼出動物的真實物理自運動信息，并在全腦范圍描繪了高分辨率的前庭反應圖譜。研究中，兩只獼猴接受顱窗植入，研究者將功能超聲成像（fUS）探頭固定于特定腦區，以 100 × 100 μm 的平面分辨率和 400 μm 的層厚，記錄 6 自由度運動平臺誘發的腦血容量（CBV）變化。平臺以 0.5 Hz 正弦軌跡執行平移或旋轉刺激，每次持續 6 秒、間隔 10 秒。

結果顯示，物理運動在經典前庭相關皮層中引發了廣泛且穩健的 CBV 增強。不同皮層區域的 CBV 峰值幅度在 8.9%–58.6% 之間，反映出顯著的空間分布差異。基于線性判別分析（LDA）的解碼結果，在單次試驗條件下，平移方向的解碼精度峰值可達 74%–79%，使用全程數據訓練模型時，精度進一步提高至 82.1%和 76.95%。對于“平移與旋轉”的二分類任務，解碼精度峰值分別為 93% 和 94.5%，在訓練試驗數超過 12 次時已達到統計顯著，并在約 75 次試驗時趨于平臺。與經顱電刺激前庭神經（GVS）相比，物理運動誘發的 CBV 響應幅度更大，峰值出現更早，且 GVS 未能顯著激活 V3A、M1 和 7m 等區域。此外，多處前庭相關皮層對視覺光流刺激也有反應，提示存在廣泛的前庭—視覺多模態整合網絡。

圖5 研究中同時被視覺和物理運動刺激激活的腦區。

(A) 視覺條件下的實驗裝置示意圖及高斯速度曲線。
(B 和 C) 前庭條件與視覺條件下腦血容量（CBV）變化的比較（B）以及兩種條件間的皮爾遜相關系數（C）。
(D) 視覺條件（上）和前庭條件（下）的示例激活圖。
該研究首次在靈長類模型中證明了 fUS 能夠在真實自運動條件下，以單次試驗精度解碼復雜前庭信息，并繪制全腦范圍的功能反應圖譜。這不僅拓展了對靈長類前庭功能組織的理解，也為利用 fUS 開展高精度運動狀態識別及神經解碼研究奠定了方法學基礎。

從實驗室到臨床：
fUS 技術的核心原理與 Iconeus One 平臺實踐
近年來，功能性超聲（fUS）的迅速崛起，源于其在時間與空間分辨率上的雙重飛躍。在成像原理上，fUS 通過平面波或發散波以每秒數千幀的速率并行采集信號，并經軟件重建聚焦，大幅提升對慢速血流的探測能力——其靈敏度較常規功率多普勒提高約50 倍。這種基于神經血管耦合的讀出方式，使功能性超聲（fUS）既能獲得約100 μm的空間分辨率和100 ms的時間分辨率，又能探測低至1 mm/s的流速變化。同時，功能性超聲（fUS）不僅能在清醒、自由活動的動物中實現單次試驗的功能圖譜與靜息態功能連接分析，還在術中導航與新生兒床旁監測等臨床情境中展現出潛力。打破了傳統功能磁共振成像（fMRI）的諸多應用瓶頸，也突破了光學成像受組織穿透深度限制的天花板^[6]。

作為推動功能性超聲（fUS）技術應用的重要力量，總部位于巴黎的 Iconeus 致力于將這一技術從科研實驗室帶入神經科學常規研究。其旗艦系統 Iconeus One 面向臨床前研究，支持在清醒或運動狀態的動物中進行實時成像。標準系統集成了平面波成像工作站、四軸電動掃描平臺以及可視化友好的軟件套件，涵蓋從實驗設置與采集（IcoScan）到后處理與腦圖譜配準（IcoStudio）的全流程工作流。

在應用場景上，Iconeus One 已廣泛用于功能神經影像、靜息態連接分析、神經藥理及腦血管研究等領域，且已有相當多的相關研究數據獲得公布。這一平臺的出現，使得功能性超聲（fUS）技術優勢能夠被穩定、標準化應用于多樣化的神經科學研究，并逐步延伸至臨床研究前沿^[7]。

最后，如果您希望進一步了解功能性超聲（fUS）與超聲定位顯微成像（ULM）技術，或想討論在自己的研究領域使用相關技術的可行性或方式，歡迎您登錄我們的網站或隨時與我們取得聯系！
 

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