2025年9月14日，由美國俄克拉荷馬大學健康科學中心Stefano Tarantini教授的研究團隊在Advanced Science期刊上發(fā)表了題為 “A Minimally Invasive Framework Reveals Region-Specific Cerebrovascular Remodeling in Aging Using Intravital Functional Ultrasound Imaging and Ultrasound Localization Microscopy (fUS-ULM)” 的研究論文。

研究團隊不僅成功構建了一種結合功能超聲與超聲定位顯微鏡、通過慢性植入透明顱窗實現的微創(chuàng)高分辨率活體腦成像平臺，更利用該平臺揭示了衰老過程中大腦皮層、海馬體及白質區(qū)域普遍存在但傳統(tǒng)技術難以精確量化的微血管結構與功能重塑，并首次提出皮質小動脈-靜脈比率作為衰老相關腦血管結構變化的新型生物標志物。

研究的主要結果
本研究利用功能超聲聯合超聲定位顯微鏡這一微創(chuàng)活體成像平臺，通過TPX透明顱窗，對年輕（3-6月齡）與老年（24-28月齡）小鼠進行了高分辨率腦血管成像（圖1），精確揭示了衰老過程中區(qū)域特異性的腦血管重構。
 

圖1: 實驗設計與成像流程概覽
實驗裝置示意圖(A): 使用ICONEUS超聲探頭、超聲耦合劑和TPX顱窗進行fUS成像。

實驗對象與模式(B): 年輕組（3-6月齡）和老年組（24-28月齡）小鼠；感興趣區(qū)域：皮層、海馬體和白質。

研究目標可視化(C, D, E): C) 全腦血管密度，D) 靜息腦血流量，E) 功能性充血。

1、全腦及關鍵區(qū)域血管密度顯著下降逾20%
研究通過量化血管覆蓋的像素百分比，發(fā)現衰老導致廣泛的血管稀疏化（圖2）。與年輕小鼠相比，老年小鼠的全腦血管密度顯著降低。更為精細的區(qū)域分析顯示，大腦皮層的血管密度下降了約20%，海馬體的血管密度下降了近30%，而白質區(qū)域的血管密度下降幅度最大，超過了30%。這些數據表明，與認知功能密切相關的深部腦區(qū)在衰老過程中遭受了更為嚴重的血管網絡退化。
 

圖2: 衰老導致全腦及區(qū)域特異性血管密度下降

圖像轉換與區(qū)域選擇 (A): 將ICONEUS產生的灰度ULM圖像通過定制MATLAB腳本轉換為二值化血管圖。圖像中疊加了小鼠腦圖譜，以便在全腦、皮層、海馬體和白質等特定區(qū)域進行量化分析。

統(tǒng)計量化(B): 與年輕小鼠相比，老年小鼠在全腦、皮層、海馬體和白質四個區(qū)域的血管覆蓋率（即血管密度）均出現極顯著的下降。

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2、腦血管平均直徑縮減超15%
通過對血管結構的局部厚度分析，研究發(fā)現衰老導致血管普遍狹窄（圖3）。定量數據顯示，老年小鼠大腦皮層血管的平均直徑從年輕時的約16微米減小至約13.5微米，縮減幅度超過15%。在海馬體和白質區(qū)域，也觀察到了類似的顯著減小趨勢。血管直徑分布頻率圖進一步證實，老年大腦中較小直徑（例如半徑<10μm）的血管比例顯著增加。
 

圖3: 衰老引起關鍵腦區(qū)微血管直徑縮小

血管直徑彩色圖譜(A): 紫色代表小血管，黃色代表大血管。直觀顯示老年小鼠大腦中黃色區(qū)域減少，表明大血管比例下降。

直徑分布頻率(B): 在皮層、海馬體和白質區(qū)域，老年小鼠的血管直徑分布向更小的尺寸偏移。

直徑數據統(tǒng)計(C): 老年小鼠在皮層、海馬體和白質區(qū)域的平均血管直徑顯著小于年輕小鼠。

3、腦血流速度與流量呈現區(qū)域異質性改變
研究通過追蹤微泡速度發(fā)現，衰老對血流動力學的影響因腦區(qū)而異（圖4，5）。在大腦皮層，老年小鼠的平均血流速度從年輕時的約25 mm/s顯著增加至約32 mm/s。然而，在海馬體區(qū)域，血流速度從約20 mm/s顯著下降至約14 mm/s；在白質區(qū)域，從約18 mm/s下降至約12 mm/s。結合血管直徑估算的靜息腦血流量顯示，盡管皮層速度增加，但其血流量未顯著變化，而海馬體和白質區(qū)域的靜息腦血流量分別顯著下降了約40%和50%，揭示了這些區(qū)域的灌注不足。

圖4: 衰老改變區(qū)域性腦血流速度

速度圖譜與選區(qū) (A): 展示了由ICONEUS軟件基于微泡速度（0-100 mm/s）生成的速度圖，并標明了用于分析的皮層、海馬體和白質區(qū)域。

速度分布頻率 (B): 在皮層區(qū)域，老年小鼠的血流速度分布向更高速度偏移；而在海馬體和白質區(qū)域，其分布則向更低速度偏移。

速度數據統(tǒng)計 (C): 老年小鼠在皮層區(qū)的血流速度顯著增加，而在海馬體和白質區(qū)的血流速度顯著下降。
 

圖5: 衰老導致海馬體與白質靜息腦血流量下降

腦血流量彩色圖譜 (A): 直觀顯示老年小鼠海馬體和白質區(qū)域的血流量減少。

腦血流量分布 (B): 年輕和老年小鼠在皮層、海馬體和白質區(qū)域的腦血流量相對分布情況。

腦血流量統(tǒng)計 (C): 老年小鼠在全腦、海馬體和白質區(qū)域的靜息腦血流量顯著降低，而在皮層區(qū)域則無顯著變化。

4. 皮層小動脈-小靜脈比率下降約25%
本研究創(chuàng)新性地量化了皮層穿透血管的動脈-靜脈平衡（圖6）。結果顯示，年輕小鼠的皮層小動脈-小靜脈比率約為0.45，而老年小鼠則顯著降至約0.34，降幅高達約25%。這一量化指標表明，衰老過程中皮層微循環(huán)的動脈輸入相對減少，可能破壞了正常的血流灌注與代謝廢物清除的平衡。

圖6: 衰老顯著降低皮層小動脈-小靜脈比率

血管方向性分離 (A): 利用從ICONEUS軟件導出的Y方向血流圖，通過FIJI處理將小動脈（紅色，血流朝向特定方向）與小靜脈（藍色，血流背離特定方向）分離開來。

AVR量化 (B): 通過MATLAB腳本量化皮層區(qū)域小動脈和小靜脈的像素比例，并以柱狀圖顯示結果。結果表明，老年小鼠的AVR顯著低于年輕小鼠。

5、神經血管耦合響應幅度減半且延遲
通過fUS評估觸須刺激誘發(fā)的神經血管耦合反應，研究發(fā)現老年小鼠的功能性充血響應峰值幅度相比年輕小鼠降低了約50%。此外，年輕小鼠的腦血流響應在刺激開始后約2-3秒達到峰值，而老年小鼠的峰值時間顯著延遲至約5-6秒。這些量化數據清晰地表明，衰老嚴重損害了神經血管單元快速、有效地調節(jié)局部血流以滿足神經元活動需求的能力。
 

Figure 7: 衰老顯著削弱神經血管耦合反應

功能響應圖像 (A): 以冠狀面和軸狀面圖像展示了年輕和老年小鼠在對側觸須刺激下，大腦體感皮層的腦血流量增加響應。紅色區(qū)域的大小和強度代表了功能性充血的幅度。

響應參數統(tǒng)計 (B): 與年輕小鼠相比，老年小鼠的功能性充血平均響應強度和峰值強度均顯著降低，而達到峰值所需的時間則顯著延長。

個體與平均響應曲線 (C & D):C) 個體響應軌跡: 繪制了所有年輕和老年小鼠個體對30秒刺激的腦血流量響應曲線。D) 平均響應曲線: 展示了年輕和老年小鼠組的平均腦血流量響應曲線，清晰地顯示了老年組響應幅度減小和延遲的現象。黃色矩形標明了刺激時間窗口。

研究總結
本研究通過高分辨率的fUS-ULM成像技術，全面描繪了衰老過程中大腦腦血管在結構和功能上的深刻變化，尤其揭示了海馬體和白質區(qū)域的高度易損性，以及皮層可能存在的代償機制。

這些發(fā)現不僅深化了對血管性認知障礙病理機制的理解，也為開發(fā)針對性的干預措施和評估其療效提供了強大的技術平臺和新的生物標志物。

Negri S, Nyul-Toth A, Milan M, et al. A Minimally Invasive Framework Reveals Region-Specific Cerebrovascular Remodeling in Aging Using Intravital Functional Ultrasound Imaging and Ultrasound Localization Microscopy (fUS-ULM). Adv Sci (Weinh). 2025 Sep 14:e10754. doi: 10.1002/advs.202510754.

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