模型研究表明，功能性充血期間毛細血管通過時間不均勻性（CTTH）的減少，這對腦氧合作用非常關(guān)鍵。華盛頓大學研究人員Yuandong Li等使用光學相干斷層掃描血管造影（OCTA）毛細血管測速法，體內(nèi)探測了嚙齒動物模型腦毛細血管床的血流動力學，并驗證了功能性激活期間CTTH的變化。通過評估電刺激下后爪組織內(nèi)數(shù)千個毛細血管的血流動力學及隨后的通過時間參數(shù)，發(fā)現(xiàn)后肢體感皮層（HLS1）中毛細血管平均通過時間（MTT）（9.8%±2.2）和CTTH（5.9%±1.4）均減少。此外HLS1與未激活的皮層區(qū)域間，毛細血管流動模式的改變有顯著差異（p< 0.05）。這些定量發(fā)現(xiàn)揭示了功能性激活期間存在局部微循環(huán)調(diào)整，與以前的研究一致，支持毛細血管流量均勻化對腦氧合有重要貢獻。也證明了OCTA測速法的有用性，可以結(jié)合動物模型成像體內(nèi)微循環(huán)動力學，更全面地了解血液動力學-代謝耦合。文章以“Capillary flow homogenization during functionalactivation revealed by optical coherence tomography angiography based capillaryvelocimetry”為題發(fā)表于Scientific Reports。

  背景

 正常的大腦功能依賴血流調(diào)節(jié)氧氣供應(yīng)，以滿足活躍變化的代謝需求。通過使用功能性磁共振成像（fMRI），對神經(jīng)元活動和腦血流（CBF）之間的時空關(guān)系，即神經(jīng)血管耦合，已經(jīng)有了一定研究。具體而言，通過fMRI觀察到神經(jīng)血管耦合過程中的血液動力學反應(yīng)，如局部CBF增加超過腦氧代謝率（CMRO₂），導(dǎo)致腦組織中脫氧血紅蛋白濃度降低，產(chǎn)生的血氧水平依賴（BOLD）信號對比度可用于功能性腦成像。目前對這種流量-代謝耦合的理解尚不完整，特別是與相對增加的CMRO₂相比，CBF的升高不成比例，表明在耗氧量和充血程度之間的非線性耦合中，還有其他因素參與。

 Jespersen和Østergaard重新研究了氧的流動擴散函數(shù)，結(jié)合考慮紅細胞穿越毛細血管床時間的不均勻分布，評估腦組織中的氧提取。模擬了CBF和毛細管通過時間不均勻性（CTTH）對最大氧提取分數(shù)（OEF^max）的綜合影響。該理論模型（圖1）中，血流動力學對OEF^max的貢獻由血管平均通過時間（MTT）和CTTH確定，其中根據(jù)中心體積理論MTT與CBF成反比，CTTH被量化為紅細胞通過時間分布的標準偏差。功能激活期間，由于初始CBF增加導(dǎo)致的OEF固有減少被CTT的均勻化抵消，即CTTH降低，這將確保了在隨后（或同時）的充血發(fā)作期間有足夠的氧合，以滿足激活組織床中增加的氧代謝需求。該模型為功能性激活中CBF不成比例的增加提供了生物物理支持，并為神經(jīng)血管耦合中毛細血管流量調(diào)整的定量表征建立了一個框架。

 對當前的顯微神經(jīng)成像技術(shù)來講，體內(nèi)成像毛細血管流動動力學以及驗證CTTH假說仍很具挑戰(zhàn)性。已有研究使用高分辨率雙光子顯微術(shù)（TPM）或共聚焦激光掃描熒光顯微術(shù)等團注追蹤技術(shù)，評估了嚙齒動物大腦中的MTT和CTTH。但不能對單個毛細血管中的紅細胞進行直接成像，因此無法獲得毛細血管床中紅細胞通過時間的空間分布以進行準確的CTTH評估。使用TPM的單線掃描測速儀可直接測量單個毛細管中的紅細胞速度，但該技術(shù)數(shù)據(jù)采集速度過慢（幾小時），且采集的樣本量不足以用于分析（< 100個毛細血管）。光學相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCTA）能夠?qū)δX動脈和靜脈中的血流進行三維定量成像、可視化毛細血管水平的微血管，可彌補線掃描TPM的局限性。但當前OCTA技術(shù)的統(tǒng)計能力還不足以準確表征毛細血管的流速。Lee等人開發(fā)并應(yīng)用統(tǒng)計強度變異分析，結(jié)合OCTA，在約1s內(nèi)跟蹤了數(shù)百個毛細血管中紅細胞流量的變化，揭示了大鼠前爪受電刺激期間，體感皮層中的毛細血管流量均勻化，證明基于OCTA的技術(shù)在研究神經(jīng)激活期間的微循環(huán)動力學方面具有很大潛力。

 本文作者在OCTA的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種特征分解（eigen-decomposition, ED）分析的統(tǒng)計方法，從高速OCT掃描產(chǎn)生的相干光信號中提取動態(tài)毛細流動的頻率分量。初步結(jié)果表明，單個毛細管中測得的平均頻率和平均紅細胞速度之間存在線性關(guān)系。該方法已成功用于定量小鼠的毛細血管流量參數(shù)，通過在一個具有50 μs時間分辨率的體積式數(shù)據(jù)集中測量數(shù)千個毛細血管，揭示了缺血性卒中損傷前后小鼠體感皮層的MTT和CTTH差異。

 本文將這種新穎的ED分析方法與OCTA相結(jié)合，研究了刺激誘發(fā)皮層激活過程中微循環(huán)發(fā)生的調(diào)整。結(jié)合激光散斑對比成像（LSCI）獲得的氧合圖，基于氧消耗對激活和非激活皮層進行了OCTA測速掃描，并首次將毛細血管流量響應(yīng)與氧代謝信號相關(guān)聯(lián)。旨在利用統(tǒng)計學，通過OCTA數(shù)據(jù)在體內(nèi)驗證先前建模研究中提出的結(jié)論，即功能性充血期間局部CTTH減少。

 

 

圖1研究CTTH對腦氧合影響的Jespersen&Østergaard模型示意圖。上方指功能激活期間神經(jīng)血管耦合中的動脈張力調(diào)節(jié)，表現(xiàn)為功能性充血，可見CBF過度增加（相對于CMRO²的增加）。下方代表功能激活期間的微循環(huán)調(diào)整，包括毛細血管血流均勻化。本研究中，毛細血管流動動力學用γ函數(shù)h(τ)中毛細管通過時間τ的分布建模，其中MTT由γ函數(shù)的平均值α β確定，CTTH由標準偏差β確定。由單個毛細管貢獻Q(τ)通過分布h(τ)加權(quán)計算整個毛細管床的OEF。在皮質(zhì)激活期間，假設(shè)根據(jù)中心體積理論，CBV'=CBF · MTT是恒定的，由于MTT減少而導(dǎo)致的OEF固有減少必須伴有CTTH減少（毛細血管均化），以確保足夠的氧合水平，從而在功能性充血期間達到OEF^max。

  結(jié)果

 01-后爪電刺激時HLS1的激活
 首先確定顱窗和包括前肢（FLS1）和后肢（HLS1）在內(nèi)的小鼠初級體感皮層之間的空間關(guān)系（圖2a）。為精確定位HLS1，在靜息（圖2b）和后爪電刺激（圖2c）期間，在顱窗處進行LSCI成像。在刺激過程中觀察到局部脫氧血紅蛋白（ΔHb）升高，表明在HLS1處氧氣利用率增加（在圖2c中顯示為較暖的顏色）。氧合圖驗證了HLS1處刺激誘發(fā)了激活，并可用于指導(dǎo)后續(xù)實驗研究毛細血管流動模式局部變化。
   

 

圖2通過LSCI揭示的氧合圖。（a）光鏡圖像，示出顱窗、FLS1和HLS1的相對位置。（b）和（c）分別為靜息和刺激期間的ΔHb，覆蓋有顱窗內(nèi)的動脈血管造影圖。彩條代表Hb濃度差異。c中較暖的區(qū)域?qū)��?yīng)較高的ΔHb水平，表明功能激活期間HLS1區(qū)域有氧消耗。β：前鹵；λ：后鹵；SS：矢狀縫；FLS1：前肢體感皮層；HLS1：后肢體感皮層。

 

02-HLS1和CTRL處的OCTA血管造影及測速
 從體積式三維OMAG數(shù)據(jù)集的x-y正面最大投影（MIP）獲得顱窗內(nèi)的腦血管造影圖（圖3a）。在距皮質(zhì)表面300μm厚的組織內(nèi)，血管在軸向空間（z）中的深度位置用顏色顯現(xiàn)。紅色、綠色和藍色分別代表從表層軟腦膜血管到較深毛細血管。根據(jù)氧合圖，選擇氧合增加的皮質(zhì)區(qū)域HLS1和非激活區(qū)域CTRL進行靜息和刺激情況下的測速掃描。以HLS1靜息（圖3b）和刺激（圖3c）期間，以及CTRL靜息（圖3d）和刺激（圖3e）期間的x-y正面平均強度投影（AIP）顯示三維測速掃描的中頻（MF）圖。圖中每個信號點代表動態(tài)紅細胞運動的一個MF分析，顏色條顯示MF值（Hz）。在四張圖譜的每一張中，從距皮質(zhì)表面300μm厚的三維空間獲得了> 20,000個MF信號。

 

 

圖3腦血管造影和毛細血管速度圖。（a）顱窗內(nèi)距皮質(zhì)表面300μm的三維OMAG數(shù)據(jù)集的正面MIP。虛線方塊表示OCTA測速掃描區(qū)域。如先前ΔHb圖所示，黃色正方形包圍激活中心（HLS1）內(nèi)的血管床，白色方形標記遠離激活中心且沒有明顯氧合消耗變化的對照區(qū)域（CTRL）。（b-e）HLS1靜息（b）和刺激（c）期間、CTRL靜息（d）和刺激（e）期間的三維MF圖譜的正面AIP圖像。顏色條表示MF值。紅色虛線方塊表示選擇用于速度分布分析的區(qū)域，避免包含大的軟腦膜小動脈。
 

 

03-HLS1處的毛細管通過時間分布變化和CTTH降低

 評估HLS1處在靜息期間和電刺激時，MF和通過時間的空間分布。為了更準確地評估毛細血管流動動力學，分割以去除直徑> 15μm的較大血管的MF信號（圖4a）。其中MF值繪制成直方圖分布，白色條表靜息，黑色條表刺激（圖4b）。對這兩種分布進行區(qū)分（圖4d），表明大多數(shù)毛細血管中的紅細胞速度在統(tǒng)計學上向低速偏移，流速較快的計數(shù)變少。毛細血管通過時間由MF導(dǎo)出的速度轉(zhuǎn)換而來，并繪制成直方圖分布（圖4c）。靜息和刺激之間的差異表明，刺激期間，通過時間在統(tǒng)計上向較低值偏移，較長傳輸時間的計數(shù)變少（圖4e）。為導(dǎo)出MTT和CTTH值，將兩個直方圖擬合到伽馬函數(shù)曲線中（圖4f），用αβ計算MTT，計算CTTH。通過測量12只動物HLS1中的相對變化，觀察到從靜息到刺激，MTT降低了9.8% ± 2.2，CTTH降低了5.9% ± 1.4。
   

 

圖4 HLS1處毛細血管通過時間分布。（a）MF圖，去除較大表面小動脈（> 15μm）后，距皮質(zhì)表面300μm的三維數(shù)據(jù)集的AIP。（b）靜息和刺激狀態(tài)下的MF直方圖分布。（c）毛細血管通過時間的直方圖分布。（d）b中直方圖函數(shù)之間的區(qū)別。（e）c中直方圖函數(shù)之間的區(qū)別。黑色虛線表示正負值之間的轉(zhuǎn)換。（f）伽馬函數(shù)擬合c中的毛細血管通過時間分布。擬合中的測定系數(shù)為R²=0.9873（靜息，虛線）和0.9811（刺激，實線）。
 

 

04-對照區(qū)域的毛細管通過時間分布

 研究也證明了CTRL處的毛細管流量分布的變化，展示了靜息和刺激條件下分割后MF正面投影圖譜（圖5a）。根據(jù)MF（圖5b）和通過時間（圖5c）的直方圖分布、靜息和刺激之間的區(qū)別（圖5d，e），以及幾乎重疊的伽馬函數(shù)曲線（圖5f），可以推斷在后爪電刺激期間對照區(qū)毛細血管流動模式?jīng)]有顯著變化。對12只動物非激活區(qū)的觀察結(jié)果一致。

 

圖5對照區(qū)域的毛細管通過時間分布。（a）靜息和刺激下CTRL區(qū)域的MF圖譜。（b）和（c）分別為MF和毛細血管通過時間的直方圖分布。（d）和（e）分別為MF和通過時間的直方圖函數(shù)從靜息到刺激的區(qū)別。靜息和刺激的差異不明顯，也沒有明確的從負值到正值的轉(zhuǎn)換。（f）伽馬函數(shù)擬合毛細血管通過時間分布，其中靜息和刺激的R²分別為0.9796和0.9922。

 

05-HLS1和CTRL處的血液動力學參數(shù)及其在刺激下的相對變化

 比較HLS1和CTRL處的血液動力學參數(shù)的相對變化（從靜息到刺激）。在電刺激時，兩個區(qū)域間ΔMTV (mean transit velocity)（t檢驗，p < 0.01）（圖6a）和ΔMTT (mean transit time)（t檢驗，p < 0.01）（圖6b）有顯著差異，表明在后爪電刺激期間，HLS1區(qū)域毛細血管床中行進的紅細胞通過速度更高、通過時間更短。而兩個區(qū)域間顯著的CTTH差異（t檢驗，p<0.05）（圖6c）表明，局部毛細血管均勻化僅針對HLS1，而不是遍及所有皮質(zhì)區(qū)域。表1列出了靜息和刺激時兩個區(qū)域的MTV、MTT和CTTH。
 表1  

 

 

圖6 HLS1和CTRL毛細血管參數(shù)的統(tǒng)計比較。（a）ΔMTV，（b）ΔMTT，（c）ΔCTTH。* p< 0.05，* * p< 0.01。

 

 

結(jié)論

 本文通過對小鼠后爪電刺激研究了小鼠體感皮層微循環(huán)在功能性激活下的調(diào)整。對腦組織床毛細血管通過時間進行的統(tǒng)計性O(shè)CTA分析顯示，MTT下降與功能性充血（CBF增加）和CTTH減少（局部ΔHb增加）一致。結(jié)果了支持毛細血管血流均勻化在功能性充血時腦組織氧合中的重要作用。高時空分辨率的OCTA毛細血管測速方法可體內(nèi)定量評估嚙齒動物腦微循環(huán)動力學，有助于更好地理解神經(jīng)血管耦合機制。可應(yīng)用于研究正常和血流代謝缺陷病理條件下，CTTH變化或功能障礙。
  

參考文獻：Li, Y. ,  W. Wei , and  R. K. Wang . "Capillary flow homogenization during functional activation revealed by optical coherence tomography angiography based capillary velocimetry." Scientific Reports.