功能超聲成像（fUS）在多發(fā)性硬化癥臨床前研究中的應(yīng)用

功能超聲成像 (fUS) 技術(shù)的運(yùn)用
fUS是一種超快速超聲成像技術(shù)，可高靈敏地檢測(cè)腦血容量（CBV）的變化，反映神經(jīng)元活動(dòng)引起的神經(jīng)血管耦合。與fMRI相比，fUS具備時(shí)間分辨率更高（毫秒級(jí)）、空間分辨率更細(xì)（微米級(jí)）、可在麻醉或清醒動(dòng)物中進(jìn)行、能檢測(cè)微血管水平的血流變化等優(yōu)勢(shì)，并適合小動(dòng)物腦功能研究。本研究首次將fUS用于脫髓鞘小鼠模型的功能血流測(cè)定，驗(yàn)證其檢測(cè)血管功能障礙的潛力。

成像設(shè)置​

1. 成像平面定位于Bregma -1.60 mm處，對(duì)應(yīng)初級(jí)軀體感覺皮層（S1BF）。
2. 使用Iconeus One掃描儀（法國(guó)Iconeus公司），15 MHz線陣探頭（128換能器）。
3. 采用超快采樣（500 Hz），每幀由11個(gè)傾斜平面波合成。
4. 采集速率2.5 Hz（每幀由200張濾波圖像平均）。
5. 通過(guò)奇異值分解（SVD）濾波區(qū)分組織信號(hào)與血流信號(hào)。

刺激范式​

1. 采用Arduino控制機(jī)械觸須刺激器，以4 Hz頻率機(jī)械刺激小鼠胡須。
2. 每次實(shí)驗(yàn)包含10個(gè)刺激周期（每周期：20秒刺激 + 20秒休息）。
3. 全程420秒記錄血流信號(hào)。

​數(shù)據(jù)分析

1. 通過(guò)GLM模型計(jì)算激活圖（Z-score, Bonferroni校正p<0.05）。
2. 提取三個(gè)血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)：活躍像素?cái)?shù)（number of active pixels）、穩(wěn)態(tài)CBV變化率（ΔCBV）、上升時(shí)間（rise time）。
3. 在Matlab中擬合信號(hào)曲線（“stepinfo”函數(shù)）。
4. 對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析及事后多重比較（Tukey檢驗(yàn)）。

(A) 四組小鼠的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖；(B)(C) 不同組的體重變化和周體重增長(zhǎng)；說(shuō)明Cuprizone影響體重增長(zhǎng)且停藥后恢復(fù)。(D) 胡須刺激下fUS成像原理；(E) 激活圖（Z-score）顯示S1BF和丘腦的CBV升高區(qū)域；(F) 定義了三項(xiàng)血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)（活躍像素?cái)?shù)、ΔCBV、rise time）。

​02研究結(jié)果
Results
Cuprizone成功誘導(dǎo)脫髓鞘
對(duì)照組體重增長(zhǎng)穩(wěn)定（0.61±0.13 g/周）；Cuprizone組在3–15天內(nèi)平均體重下降（−0.88±0.19 g），停藥后體重恢復(fù)并出現(xiàn)顯著超量增長(zhǎng)（+3.5±0.23 g），與文獻(xiàn)一致。說(shuō)明脫髓鞘模型建立成功。

皮層（S1BF）血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)變化

1. 對(duì)照組：在3、5、7周時(shí)間點(diǎn)中，CBV變化率和上升時(shí)間保持穩(wěn)定，表明測(cè)量的可重復(fù)性。僅在第7周活躍像素略有下降，屬于自然波動(dòng)。
2. 進(jìn)行性脫髓鞘組：隨脫髓鞘進(jìn)展（3至5周），活躍像素?cái)?shù)顯著增加（p=0.03），提示激活范圍擴(kuò)大；ΔCBV逐步升高，說(shuō)明血流反應(yīng)增強(qiáng)；上升時(shí)間在第3周即已延長(zhǎng)，顯示神經(jīng)血管耦合動(dòng)力學(xué)早期改變。
3. 再髓鞘化組：在5周Cuprizone后（5W）表現(xiàn)出與前組相同的血流增強(qiáng)特征；停藥2周（5W+2W）后，活躍像素與ΔCBV輕度下降，提示部分恢復(fù)，但個(gè)體差異較大，可能反映自發(fā)再髓鞘程度不一。

A-B：展示健康對(duì)照動(dòng)物在不同時(shí)間點(diǎn)的CBV激活圖與定量曲線，說(shuō)明fUS測(cè)量重復(fù)性良好。C-D：展示Cuprizone喂養(yǎng)3 周與5 周小鼠的CBV空間分布圖及三項(xiàng)參數(shù)變化趨勢(shì)。E-F：5 周脫髓鞘后恢復(fù)普通飼料2 周的小鼠，其CBV反應(yīng)部分減弱，個(gè)體差異較大。

丘腦（VPM/VPL）血流反應(yīng)變化
在早期脫髓鞘（3周）時(shí)，丘腦的ΔCBV與上升時(shí)間均增加；到5周脫髓鞘晚期，丘腦血流反應(yīng)恢復(fù)至正常，無(wú)顯著改變。說(shuō)明血流改變主要發(fā)生在皮層層面，而非丘腦傳入環(huán)節(jié)，提示皮層特異性血管反應(yīng)異常。

比較對(duì)照、進(jìn)行性脫髓鞘、再髓鞘化三組在丘腦的ΔCBV與rise time變化，顯示早期短暫增強(qiáng)，后期無(wú)變化。

髓鞘水平與血流指標(biāo)的相關(guān)性
三個(gè)fUS指標(biāo)（活躍像素、ΔCBV、rise time）與S1BF及丘腦區(qū)域MBP水平呈相關(guān)。多元回歸結(jié)果顯示，這些指標(biāo)的組合可預(yù)測(cè)組織MBP水平，說(shuō)明功能性超聲（fUS）信號(hào)變化可作為髓鞘完整性與血管功能障礙的潛在替代指標(biāo)。

03
功能性超聲fUS
揭示Cuprizone模型中
脫髓鞘相關(guān)的皮層血管反應(yīng)異常
fUS Reveals Cortical Vascular Abnormalities 
Associated with Demyelination in the Cuprizone Model

本研究利用高靈敏度的功能超聲成像（fUS）技術(shù)，首次在 Cuprizone 誘導(dǎo)的中樞脫髓鞘小鼠模型中系統(tǒng)評(píng)估了感覺皮層對(duì)胡須刺激的腦血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)變化，從而揭示脫髓鞘過(guò)程中潛在的血管功能障礙。研究結(jié)果顯示，Cuprizone 處理引發(fā)動(dòng)物體重下降、髓鞘蛋白表達(dá)減少及腦功能反應(yīng)的動(dòng)態(tài)重塑：在進(jìn)行性脫髓鞘階段，皮層的血流反應(yīng)顯著增強(qiáng)，表現(xiàn)為活躍像素?cái)?shù)和穩(wěn)態(tài)腦血容量（CBV）增加以及反應(yīng)上升時(shí)間（rise time）延長(zhǎng)；進(jìn)入再髓鞘化階段后，這些參數(shù)部分恢復(fù)，但仍存在個(gè)體差異。相較之下，丘腦的血流反應(yīng)僅在早期出現(xiàn)輕度波動(dòng)，提示該異常主要體現(xiàn)為皮層特異性的血管反應(yīng)增強(qiáng)。

髓鞘堿性蛋白（MBP）免疫熒光定量進(jìn)一步確認(rèn)了皮層、胼胝體、海馬與丘腦的顯著脫髓鞘。回歸分析結(jié)果揭示，功能性超聲（fUS）檢測(cè)到的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)與髓鞘水平之間存在顯著相關(guān)性，表明功能性超聲（fUS）可作為反映髓鞘完整性與神經(jīng)血管耦合變化的非侵入性功能指標(biāo)。

值得注意的是，研究中觀察到的皮層血流過(guò)度反應(yīng)與既往 fMRI 研究中多發(fā)性硬化（MS）早期患者的皮層高反應(yīng)現(xiàn)象一致，提示這種異常可能代表神經(jīng)血管單元的代償性或病理性重塑。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，血流反應(yīng)幅度與髓鞘水平之間并無(wú)直接線性關(guān)系，意味著該現(xiàn)象更可能反映一種獨(dú)立的血管功能障礙，而非僅由神經(jīng)活動(dòng)改變所致。

總體而言，本研究通過(guò)功能性超聲（fUS）在時(shí)間與空間層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫髓鞘進(jìn)程中神經(jīng)血管反應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的精確追蹤，充分展示了功能性超聲（fUS）在檢測(cè)微血管層面血流變化、量化神經(jīng)血管耦合異常及評(píng)估再髓鞘過(guò)程恢復(fù)潛力方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。憑借高時(shí)空分辨率、無(wú)創(chuàng)性及可重復(fù)縱向成像等特性，功能性超聲（fUS）為脫髓鞘性疾病的早期功能評(píng)估、藥效監(jiān)測(cè)與新療法篩選提供了一種前景廣闊的影像工具。

最后，如果您希望進(jìn)一步了解功能性超聲（fUS）與超聲定位顯微成像（ULM）技術(shù)，或想討論在自己的研究領(lǐng)域使用相關(guān)技術(shù)的可行性或方式，歡迎您登錄我們的網(wǎng)站或隨時(shí)與我們?nèi)〉寐?lián)系！

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