聂立铭教授团队最新成果：利用光声成像及压敏染色剂实现全脑电动力学直接监测

2024年5月23日，国际知名学术期刊Laser & Photonics Reviews刊发了广东省人民医院聂立铭教授团队的最新研究成果，题为《Direct Monitoring of Whole-Brain Electrodynamics viaHigh-Spatiotemporal-Resolution Photoacoustics with Voltage-Sensitive Dye》。该论文报告了使用一种电压敏感染色剂，利用光声成像技术实现全脑电动力学的直接监测。

研究团队提出一种基于电压敏感染料（VSD）的全场光声脑检测（WF-PABD）平台，可以直接评估整个大脑的电压动态。WF-PABD配备512阵元超声探测器阵列实现高速信号监测，换能器阵列直径≈10 cm，中心频率5.5 MHz，带宽9.9 MHz（>90%），可进行360度全环扫描，提供大视场（≈5cm）、高空间分辨率（≈110μm）和快速成像采集。激光器输出波长范围为 670 至980、1064和1190至2600 nm，以10Hz的激光重复频率工作；脉冲光通过凹透镜放大，并均匀地照射到小鼠头部。在超声环型阵列仓上方放置透明玻璃，在其下方覆一层保鲜膜。使用泵将腔室注满水，并采用负压方法在保鲜膜上形成凹槽。使用支架将麻醉的小鼠固定在凹槽中，并使用超声偶联凝胶将头部紧密耦合到水室中。这种水介质促进了声耦合，确保光声信号的传播。随后使用采样率为 40 MSa   s⁻¹的512通道数据采集系统同时并行接收 PA 信号，从而保证了超快的成像采集时间（每帧 ≈10 μs），以避免呼吸和运动伪影。

图：小鼠大脑的系统设置和高分辨率光声可视化。a） WF-PABD实施。PA 信号来自通过 VSD 的更强神经元反应和较弱的血液吸收。b） 评估轴向和横向分辨率。单位为微米。c） 不同深度的整个小鼠大脑的活体可视化（X：310° Y：10°的侧视图）。d） 携带 DiSC3（5） 的分离脑组织的图像提供了水平、矢状和冠状切片的结构细节以及几个大脑区域的轮廓线。参考自小鼠脑图谱（75,152,264）。Ctx：大脑皮层;Cp：尾壳核；Th：丘脑；Sc：上丘；Ic：下丘；BFS：基底前脑隔膜；Hy：下丘脑；Rm：中脑的其余部分；Cb：小脑；Bs：脑干。

结果表明，研究不同大脑区域之间的连通性可以通过快速时间可视化来识别活动性癫痫病灶的精确位置以及电传导通路及其方向性。总之，这项研究不仅满足了对脑电压进行非侵入性、高分辨率、长期和直接监测的需求，同时拓展了光声成像技术在神经科学中的应用场景。

原文：

https://doi.org/10.1002/lpor.202400165

Laser Photonics Rev. 2024, 2400165

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