大腦成像新技術：分辨率水平達毛細血管級

研究癌症和其它侵入性疾病的科學家的工作依賴於高分辨率的成像技術，科學家們使用這些技術來檢測腫瘤和身體深部組織的活動。美國聖路易斯華盛頓大學的汪立宏（Lihong Wang）博士和他的研究小組發明了一種新的高速、高分辨率的成像方法。使用這種方法，能夠對活體小鼠大腦的血流、血氧、氧代謝和其它功能進行檢測，速度比此前的方法都要快。

汪立宏是聖路易斯華盛頓大學工程與應用科學學院的Gene K. Beare生物醫學工程教授。使用光聲顯微鏡技術（PAM），以及他實驗室此前研發的一種基於單波長和脈衝寬度的技術，汪立宏的團隊得以對血氧水平進行更加快速的測量，測量速度比此前他們使用的快速掃描光聲顯微鏡技術（fast-scanning PAM）快50倍，比聲音分辨率系統（acoustic-resolution system）快100倍，比基於磷光壽命的雙光子顯微鏡技術（phosphorescence-lifetime-based two-photon microscopy，TPM）快超過500倍。

這些研究成果於3月30日在《自然 方法》（Nature Methods）雜誌的網頁上提前在發表。

此前已有的方法包括功能核磁共振、TMP和寬場光學顯微鏡技術，這些技術都能用於檢測小鼠大腦的結構、血氧水平和血流的動力學。但汪立宏介紹，這些方法的速度和分辨率都很有限。

為了彌補這些缺陷，汪立宏和他的實驗室使用了快速功能光聲顯微鏡技術（fast-functional PAM），這種技術使他們能夠穿透完整的顱骨對活體小鼠的大腦進行高分辨率而又高速的成像。這種技術的橫向空間分辨率可以達到他們實驗室此前使用的快速掃描系統的5倍，是此前聲音分辨率系統的25倍，比基於超聲陣列的光聲CT（ultrasound-array-based photoacoustic computed tomography）的分辨率高超過35倍。

最重要的是，PAM能夠對血氧水平進行3D成像，分辨率的水平能夠達到毛細血管級，單向的成像速度能夠達到100千赫，也就是10微秒。

“使用這種新的基於單波長和脈衝寬度的技術，PAM能夠對血紅蛋白的氧飽和進行高速的成像，”汪立宏介紹。“而且使用這種方法，我們能夠對小鼠大腦的血氧水平逐根進行成像，拼貼出整個大腦中的情況。”

“過去十年間，我們對人腦功能的很多發現都是使用功能核磁共振對血流進行觀察而得到的，”美國國立生物醫學成像和生物工程學研究所光學成像的項目主管Richard Conroy介紹到，“汪立宏的研究極大的提高了光聲成像技術的時間和空間分辨率，使這項技術可能用於在單細胞水平檢測血流的動力學和氧代謝。光聲成像技術在未來可以成為功能核磁共振重要的補充，在腦功能和疾病的發生領域做出重要的發現。”

對於這種顯微鏡技術對於活體組織是否有不良影響這一問題，汪立宏和他的團隊發現，所有用於成像的紅細胞成像后都保持完整，沒有對腦組織生損害。

“PAM對於血液中的血紅蛋白和血紅蛋白與氧結合后色的變化非常靈敏，” 汪立宏介紹，“無需注射外源性的對照試劑，PAM就能使我們對與血紅蛋白相關的重要參數進行逐根血管的定量掃描，甚至計算出氧的代謝速度。由於氧代謝在基本的生命活動和諸如糖尿病和癌症這樣的疾病中非常重要，PAM未來可能得到廣泛的應用。”（陳彬）