01:00 
Мозг полагается на доставку кислорода и питательных веществ в режиме реального времени через микроциркуляторное русло, которое проходит через нервную ткань, как электрические провода. Хотя современные технологии визуализации позволяют исследователям следить за активностью отдельных нейронов головного мозга, они еще недостаточно развиты, чтобы анализировать микрососудистую функцию в сопоставимом пространственном масштабе. Этот пробел мешает нашему пониманию заболеваний мелких сосудов головного мозга и их вклада в когнитивные нарушения и деменцию.
Чтобы решить эту проблему, группа исследователей из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Северо-Западного университета под руководством Сун Ху, профессора биомедицинской инженерии Инженерной школы МакКелви, разработала функциональную фотоакустическую микроскопию сверхвысокого разрешения (SR-fPAM). Отслеживая движение и изменение цвета эритроцитов в зависимости от оксигенации, SR-fPAM позволяет исследователям визуализировать кровоток и оксигенацию с разрешением отдельных клеток в мозге мыши, что устраняет критический пробел в функциональной микрососудистой визуализации и может дать новое представление о микрососудистом здоровье и заболеваниях, таких как инсульт, сосудистая деменция и болезнь Альцгеймера.
Результаты исследования были опубликованы 3 марта 2026 года в Light: Science & Применение.
Эритроциты, которых много в кровеносных сосудах, естественным образом поглощают свет благодаря гемоглобину, молекуле, ответственной за транспорт кислорода. При облучении короткими лазерными импульсами гемоглобин генерирует ультразвуковые волны — явление, известное как фотоакустический эффект. Хотя традиционная фотоакустическая микроскопия может отображать кровеносные сосуды без их маркировки, она не обеспечивает разрешение отдельных клеток в 3D.
Команда Ху решила это ограничение, разработав высокоскоростной фотоакустический микроскоп, способный многократно визуализировать одну и ту же область мозга с миллисекундными интервалами, что позволяет им отслеживать движение эритроцитов отдельными файлами через капилляры и группами через более крупные сосуды. Отслеживая эти клетки в последовательных кадрах и накапливая их траектории с помощью вычислений, исследователи смогли реконструировать трехмерные микрососудистые структуры с разрешением одной клетки.
Подобно флуоресцентной и ультразвуковой визуализации со сверхвысоким разрешением, SR-fPAM использует высокоскоростную визуализацию для отслеживания динамики и использует эту информацию для выявления особенностей, которые меньше обычного предела разрешения. Мы объединяем несколько пространственно-временно полученных кадров в один со значительно улучшенным разрешением».
Сун Ху, профессор биомедицинской инженерии Инженерной школы МакКелви
В своих экспериментах SR-fPAM показал, как кровоток и оксигенация перераспределяются по трехмерным микрососудистым сетям головного мозга после индуцированного инсульта. Когда одиночный микрососуд был окклюзирован, близлежащие сосуды мгновенно меняли структуру кровотока, перенаправляя эритроциты на помощь. поддерживать доставку кислорода к пораженным тканям
"Когда один сосуд заблокирован, эритроциты выбирают альтернативные пути для продолжения кровотока и подачи кислорода", - сказал Ху. "Используя SR-fPAM, мы можем наблюдать не только структурные изменения в трехмерной микрососудистой сети, но также то, как быстро движутся эритроциты, как изменяются направления их потока и как они выделяют кислород в окружающие ткани в ответ на ишемию, вызванную инсультом".
Заглядывая в будущее, Ху и его команда хотят. Соедините SR-fPAM с двухфотонной микроскопией, чтобы мы могли одновременно получать изображения как эритроцитов, так и нейронов с одноклеточным разрешением.
«Это позволит нам изучить, как нейроны и микрососуды пространственно-временно координируются друг с другом и как их динамическое взаимодействие нарушается при заболевании», — сказал Ху. «Это также может помочь нам лучше интерпретировать клинические методы нейровизуализации, такие как функциональная МРТ, которая определяет активность мозга на основе сосудистых сигналов.
Ху сказал, что эта работа может иметь значительное трансляционное влияние.
«Заболевания мелких сосудов головного мозга все чаще признаются в качестве основной причины когнитивных нарушений и деменции, и WashU находится на переднем крае этого как в фундаментальных, так и в клинических исследованиях», — сказал Ху. «Если мы сможем лучше понять, как меняются микрососудистая оксигенация и кровоток на ранних стадиях заболевания, это может помочь в разработке стратегий раннего выявления и терапевтических вмешательств».
