자가 진단을 통해 깨어 있는 쥐의 뇌혈류를 역동적으로 3D 영상화

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 298(2023) 이 기사 인용

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뇌혈류(CBF)는 뇌 기능을 평가하는 데 널리 사용됩니다. 그러나 대부분의 전임상 CBF 연구는 마취하에 수행되어 결과가 혼란스럽습니다. 깨어 있는 동물의 높은 시공간 해상도 CBF 이미징은 특히 도플러 기반 흐름 이미징의 경우 모션 아티팩트 및 배경 소음으로 인해 까다롭습니다. 여기에서는 효과적인 이미지 노이즈 제거 및 모션 아티팩트 제거를 위한 자가 감독 딥 러닝을 개발하여 깨어 있는 마우스에서 CBF 속도(CBFv) 역학의 3D 이미징을 위한 초고해상도 광학 일관성 도플러 단층 촬영(μODT)을 보고합니다. 우리는 깨어 있는 쥐와 마취된 쥐의 피질 CBFv와 세동맥, 정맥 및 모세혈관 네트워크의 동적 반응을 신경혈관 독성과 관련된 중독성이 강한 약물인 급성 코카인(1 mg/kg, iv)과 비교합니다. 깨어 있는 상태와 비교하여 이소플루란(2-2.5%)은 혈관 확장을 유도하고 2-4분 이내에 CBFv를 증가시키는 반면, 덱스메데토미딘(0.025 mg/kg, ip)은 혈관 직경이나 흐름을 변경하지 않습니다. 급성 코카인은 덱스메데토미딘과 깨어 있는 상태에서 동일한 정도로 CBFv를 감소시키는 반면, 이소플루란에서는 감소가 더 크므로 이소플루란에 의해 유발된 혈관 확장이 코카인에 의해 유발된 혈관 수축의 감지를 촉진했을 수 있음을 시사합니다. 만성 코카인을 투여한 후 깨어 있는 쥐는 심각한 혈관 수축, CBFv 감소 및 더 깊은 피질 모세혈관에 혈액 공급을 우선시하는 확장된 잠수 세동맥/세정맥 혈관의 적응을 보여줍니다. 우리가 제시하는 3D 이미징 플랫폼은 깨어 있는 동물의 뇌에서 CBFv 네트워크와 함께 혈관 직경 및 형태의 동적 변화를 연구할 수 있는 강력한 도구를 제공하여 약물 및 질병 상태(허혈, 종양, 상처 치유)의 효과에 대한 이해를 높일 수 있습니다.

대뇌 혈류(CBF)는 신경혈관 결합을 통해 시냅스 활동을 지원하는 데 필요한 에너지 공급을 유지하는 데 중요합니다. 따라서 CBF는 다른 혈역학적 측정과 함께 기능적 MRI(fMRI)의 혈액 산소화 수준 의존성(굵게) 신호를 뉴런과 성상교세포의 세포 수준 활동에 연결하는 데 사용되었습니다1,2. 그러나 실험 동물의 생체 내 뇌혈관 이미징을 위한 현재 기술은 주로 이미징 깊이와 시공간 해상도 사이의 균형에 의해 방해를 받습니다. 여기에는 세동맥 및 정맥까지 단일 혈관 해상도를 갖춘 고자장 fMRI와 뇌혈액량(CBV) 및 뇌 활성화에 의해 유발된 굵게 변경을 해결하기 위한 빠른 시간 해상도3, 모세혈관 해상도에 가까운 경두개 심부 혈관 이미징을 위한 마이크로버블 기반 초음파 현미경이 포함됩니다. 공간 분해능에 따라 침투 깊이가 3mm 이상 확장된 미세혈관의 시각화를 위한 적혈구 속도(vRBC)4 및 장파장 근적외선(NIR-II, 예: >1 µm) 형광 이미징의 빠른 추적 및 감도5,6. 광음향 현미경(PAM)은 모세혈관층의 3D 라벨 없는 미세혈관 이미징과 최대 ~0.8mm 깊이의 마우스 피질에서 이러한 혈관의 헤모글로빈 산소화 상태 매핑을 허용합니다7. 다광자 형광 현미경 검사법은 뛰어난 공간 분해능과 이미지 대비를 통해 마우스 피질의 1.6mm 깊이에서 3D 모세관 네트워크를 분석하고 모세관을 통해 흐르는 형광 염색된 RBC(플럭스)를 계산하여 vRBC를 측정할 수 있습니다8,9,10. 초고해상도 광간섭 혈관조영술(μOCA)과 도플러 단층촬영(μODT)은 모세혈관 분해능이 있는 미세혈관 및 CBF 속도(CBFv) 네트워크의 3D 영상화에 더 많은 이점을 제공합니다(예: 세동맥, 정맥 및 모세혈관 흐름 네트워크). 마우스 피질 표면에서 1.2-1.6mm 깊이. µODT는 또한 세동맥 또는 모세혈관의 레이저 중단에 대한 미세순환 CBFv 네트워크 반응을 포착하고 코카인으로 인한 피질 미세허혈, 혈관 중단, 신생 혈관 신생 및 적응을 감지하기 위한 민감도와 분해능을 입증했습니다. 모두 상대적으로 넓은 필드를 통해 가능합니다. 시야와 높은 시공간 해상도15,16,17.