——LSCI腦血流與CMRO₂聯(lián)合成像的前沿實(shí)踐(上)
作者：吉安得爾市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)
 
從一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)困境說(shuō)起 
2021年，一個(gè)關(guān)于急性缺血性腦卒中藥物干預(yù)的研究發(fā)表在Frontiers in Cellular Neuroscience上。研究團(tuán)隊(duì)試圖回答一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一種名為AUDA（12-(3-adamantan-1-yl-ureido)-dodecanoic acid）的化合物，在緩解腦梗死方面究竟是如何發(fā)揮作用的？
 
他們最初的思路很直接——用激光散斑成像（LSCI）觀察腦血流變化，看看AUDA是否能改善缺血區(qū)的灌注。然而，實(shí)驗(yàn)推進(jìn)到一半，團(tuán)隊(duì)意識(shí)到了一個(gè)根本性的問(wèn)題：血流恢復(fù)了，不代表腦組織真的"活過(guò)來(lái)"了。
 
缺血核心區(qū)和半暗帶（penumbra）的血流灌注圖看起來(lái)可能差異不大，但它們的命運(yùn)截然不同——一個(gè)已經(jīng)不可逆地走向壞死，另一個(gè)仍有挽救的窗口。僅憑血流信息，根本無(wú)法區(qū)分這兩個(gè)區(qū)域的代謝狀態(tài)。
 
這個(gè)困境，正是當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)研究中一個(gè)被反復(fù)討論卻尚未被充分解決的核心瓶頸：我們需要的不僅是"看到血流"，更是"讀懂代謝"。
 
為什么單純的血流成像不夠？
激光散斑血流成像（LSCI）是過(guò)去二十年腦血流研究的主力工具。它的原理并不復(fù)雜：當(dāng)相干激光照射到組織表面，散射光會(huì)因紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生隨機(jī)干涉圖樣——也就是"散斑"。血流越快，散斑模糊程度越高。通過(guò)分析散斑對(duì)比度的空間或時(shí)間分布，就能實(shí)時(shí)生成一張腦表面的血流灌注圖。
 
這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：非接觸、全場(chǎng)成像、時(shí)間分辨率高，一臺(tái)設(shè)備就能以每秒數(shù)十幀的速度捕獲整個(gè)開(kāi)顱窗口的血流動(dòng)態(tài)。在腦卒中模型的梗死范圍評(píng)估、功能性刺激響應(yīng)（如胡須刺激引發(fā)的桶狀皮層激活）等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，LSCI幾乎是標(biāo)配。
 
但問(wèn)題在于，血流（CBF）只是大腦能量供給鏈條的一個(gè)環(huán)節(jié)。
 
大腦真正的能量貨幣是氧氣的消耗——即腦氧代謝率（CMRO₂）。神經(jīng)元放電需要ATP，ATP的產(chǎn)生依賴氧化磷酸化，而氧化磷酸化的速率就是CMRO₂。當(dāng)我們只看CBF時(shí)，我們看到的是"運(yùn)輸能力"，而不是"消耗能力"。
 
這在兩種經(jīng)典場(chǎng)景中會(huì)造成嚴(yán)重的信息盲區(qū)：
 
場(chǎng)景一：神經(jīng)血管耦合（NVC）研究。 教科書(shū)告訴我們，神經(jīng)活動(dòng)增加→局部血流增加，這就是功能性充血的基礎(chǔ)，也是fMRI BOLD信號(hào)的生理學(xué)根基。但越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，CBF與CMRO₂之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系——它們?cè)跁r(shí)間和空間上都可能"解耦"。比如，刺激初期CMRO₂可能先于CBF上升，而在某些病理狀態(tài)下，血流增加了但代謝并未相應(yīng)增加。如果只看血流，你會(huì)誤以為神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)了，但實(shí)際上可能只是血管反應(yīng)性的變化。
 
場(chǎng)景二：缺血半暗帶的精確定義。 腦卒中研究的核心挑戰(zhàn)之一，就是區(qū)分不可挽回的梗死核心和仍有救治窗口的半暗帶。兩者的血流灌注可能都很低，但代謝狀態(tài)截然不同——半暗帶的神經(jīng)元仍在"掙扎"消耗氧氣維持最低限度的存活，而核心區(qū)的代謝已經(jīng)停擺。沒(méi)有血氧和代謝信息，半暗帶的邊界只能靠猜。
 
CMRO₂成像：從"看血流"到"讀代謝"的跨越 
那么，如何在活體實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)獲取CMRO₂？
 
根據(jù)經(jīng)典的腦氧代謝模型，CMRO₂可以通過(guò)以下幾個(gè)參數(shù)計(jì)算得出：
 
CMRO₂ ∝ CBF × (HbO_a - HbO_v) / HbT
 
其中CBF是腦血流，HbO代表氧合血紅蛋白，HbR代表脫氧血紅蛋白，HbT是總血紅蛋白濃度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，你需要同時(shí)知道兩件事：血流有多快（LSCI提供），以及血液中氧氣的攝取情況（需要光學(xué)血氧成像提供HbO和HbR的空間分布）。
 
2015年發(fā)表在Optics Letters上的一項(xiàng)研究，首次展示了將成像光電容積描記術(shù)（imaging PPG）與激光散斑成像結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單次試驗(yàn)（single-trial）的CMRO₂估算。這意味著，不再需要像過(guò)去那樣對(duì)多次刺激進(jìn)行平均，而是可以在每一次功能性刺激中，逐幀追蹤C(jī)MRO₂的動(dòng)態(tài)變化。這對(duì)于研究神經(jīng)血管耦合的瞬態(tài)特性、以及個(gè)體間差異具有革命性意義。
 
2022年，Neurophotonics上發(fā)表的另一項(xiàng)研究進(jìn)一步推進(jìn)了這一方向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦組織氧梯度和血流的實(shí)時(shí)同步追蹤，揭示了功能激活過(guò)程中氧氣從動(dòng)脈端到靜脈端、從血管到組織的完整傳輸鏈條。
 
這些研究共同指向一個(gè)技術(shù)趨勢(shì)：血流與血氧的同步、同位、高分辨率聯(lián)合成像，是下一代腦功能研究的基礎(chǔ)設(shè)施。
 
關(guān)于吉安得爾（Gene&I）
吉安得爾（Gene&I）深耕生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器與新藥研發(fā)裝備領(lǐng)域20年，2006年率先推出國(guó)內(nèi)首批大小鼠血壓、激光多普勒血流、激光散斑血流、動(dòng)物行為分析、精細(xì)行為分析、大小鼠步態(tài)分析等科研設(shè)備，技術(shù)與服務(wù)廣受認(rèn)可，合作覆蓋全國(guó)高校、科研院所及制藥企業(yè)，以專業(yè)實(shí)力持續(xù)助力中國(guó)科研創(chuàng)新。