在神經(jīng)科學(xué)的研究版圖中，海馬區(qū)一直是備受矚目的關(guān)鍵區(qū)域。它宛如大腦的 “記憶中樞”，深度參與學(xué)習(xí)、記憶形成、空間導(dǎo)航及情緒調(diào)控等復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)。隨著年齡增長或疾病侵襲，海馬區(qū)結(jié)構(gòu)與功能易受干擾，進(jìn)而引發(fā)認(rèn)知能力衰退，如在阿爾茨海默病中，海馬區(qū)往往首當(dāng)其沖。因此，深入探究海馬區(qū)血流狀況，對(duì)剖析其在認(rèn)知進(jìn)程中的作用機(jī)制及探尋神經(jīng)退行性疾病的早期干預(yù)靶點(diǎn)意義非凡。

傳統(tǒng)的腦血流監(jiān)測(cè)技術(shù)在海馬區(qū)研究中存在諸多局限。正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和功能磁共振成像（FMRI）雖能提供腦部血流信息，但空間分辨率尚不足以精細(xì)呈現(xiàn)海馬區(qū)微小血管的血流動(dòng)態(tài)；而單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（SPECT）在時(shí)間分辨率方面表現(xiàn)欠佳，難以捕捉血流的快速瞬變過程。相比之下，光學(xué)成像技術(shù)憑借高時(shí)空分辨率脫穎而出，成為研究微血管血流的有力工具，其中激光散斑血流成像技術(shù)更是備受關(guān)注。

激光散斑血流成像（LSCI）基于近紅外激光與標(biāo)準(zhǔn)CMOS相機(jī)協(xié)同工作原理。當(dāng)激光照射腦組織后，運(yùn)動(dòng)的血細(xì)胞會(huì)使散射光形成強(qiáng)度波動(dòng)的散斑圖案。在有限曝光時(shí)間內(nèi)，這些波動(dòng)致使散斑模糊，其模糊程度與血細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度緊密相連，進(jìn)而可通過散斑對(duì)比度（K）量化血流信息。動(dòng)態(tài)光散射成像（DLSI）則從光散射機(jī)制出發(fā)，精準(zhǔn)區(qū)分靜態(tài)散射與多種動(dòng)態(tài)散射模式，如多散射無序運(yùn)動(dòng)（MU）、單散射無序運(yùn)動(dòng)、多散射有序運(yùn)動(dòng)（SU/MO）及單散射有序運(yùn)動(dòng)（SO）等，為深入探究組織光學(xué)特性提供關(guān)鍵依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方法
1、動(dòng)物準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)選用12周齡的C57BL/6小鼠，精心構(gòu)建慢性皮質(zhì)顱窗（n=1）與海馬窗（n=3）模型。在嚴(yán)格遵循動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理規(guī)范與操作指南的前提下，對(duì)小鼠進(jìn)行麻醉、手術(shù)及術(shù)后悉心護(hù)理，確保實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處于良好狀態(tài)。

2、體內(nèi)成像
成像前用異氟醚誘導(dǎo)麻醉，LSCI和DLSI成像時(shí)將小鼠置于恒溫加熱墊上，頭部固定，使用定制成像系統(tǒng)。TPM用于評(píng)估兩只示例小鼠（一只皮質(zhì)窗，一只海馬窗）的血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，小鼠需在清醒狀態(tài)下適應(yīng)束縛，成像前放置尾靜脈導(dǎo)管輸注熒光團(tuán)，使用特定物鏡和參數(shù)采集圖像。

3、數(shù)據(jù)分析
成像過程中，利用定制的集成系統(tǒng)、785nm激光經(jīng)光纖耦合與光學(xué)元件精準(zhǔn)投射至樣本，散射光由特定相機(jī)收集，分別獲取高分辨率的LSCI與DLSI數(shù)據(jù)。同時(shí)，借助雙光子顯微鏡（TPM）對(duì)部分小鼠血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致成像，為后續(xù)分析提供多維度數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1、LSCI成像中的海馬區(qū)血管特征
在利用LSCI技術(shù)對(duì)小鼠海馬區(qū)進(jìn)行成像觀察時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)引人注目的現(xiàn)象：海馬區(qū)中的大多數(shù)中型和大型血管在不同的物鏡樣本距離下，均呈現(xiàn)出模糊不清的狀態(tài)。這種模糊現(xiàn)象與大腦皮層中類似口徑的血管成像形成了鮮明對(duì)比。為了排除可能影響成像質(zhì)量的因素，研究人員進(jìn)一步采用了雙光子顯微鏡（TPM）血管造影技術(shù)對(duì)相同的顱骨窗口進(jìn)行成像分析。結(jié)果表明，TPM血管造影圖顯示窗口質(zhì)量并非導(dǎo)致海馬區(qū)對(duì)比圖像失真的原因。這一發(fā)現(xiàn)使得研究的焦點(diǎn)更加明確地指向了海馬區(qū)血管自身的特性以及其周圍組織的光學(xué)特性。

2、DLSI成像揭示的光散射特性
為了深入探究海馬區(qū)血管模糊成像的原因，研究人員運(yùn)用了動(dòng)態(tài)光散射成像技術(shù)（DLSI）。DLSI技術(shù)能夠?qū)Σ煌�的光散射機(jī)制進(jìn)行精確分析，包括靜態(tài)散射和各種動(dòng)態(tài)散射過程，如多重散射無序運(yùn)動(dòng)（MU）、單散射無序運(yùn)動(dòng)、多重散射有序運(yùn)動(dòng)（SU/MO）以及單散射有序運(yùn)動(dòng)（SO）等。通過DLSI成像分析，研究人員發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)像素在早期時(shí)間滯后時(shí)的解相關(guān)速度比皮層快，但隨后這種解相關(guān)速度變慢。這種特殊的解相關(guān)動(dòng)態(tài)變化表明，海馬區(qū)組織中的光散射過程與皮層存在顯著差異。

進(jìn)一步的研究結(jié)果顯示，與皮層相比，海馬區(qū)大血管中多重散射無序運(yùn)動(dòng)（MU）動(dòng)力學(xué)機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位。具體數(shù)據(jù)表明，在擬合DLSI模型時(shí)，海馬區(qū)大血管中MU機(jī)制的貢獻(xiàn)增加了約13倍，同時(shí)實(shí)質(zhì)組織中的靜態(tài)散射量也增加了約4倍。這意味著在海馬區(qū)中，光子的散射過程更為復(fù)雜，更多的光子經(jīng)歷了多次散射且呈現(xiàn)出無序運(yùn)動(dòng)的特征，這可能是導(dǎo)致海馬區(qū)血管在LSCI成像中顯得模糊的重要原因之一。

3、海馬區(qū)與皮層的對(duì)比分析
通過對(duì)LSCI和DLSI成像結(jié)果的綜合分析，研究人員清晰地描繪出了海馬區(qū)與皮層在血管結(jié)構(gòu)和光散射特性方面的差異。在血管結(jié)構(gòu)上，正如之前所提到的，海馬區(qū)的血管呈現(xiàn)倒置分布，較大血管深埋，較小血管和毛細(xì)血管靠近表面，而皮層的血管分布相對(duì)較為均勻。這種結(jié)構(gòu)差異直接影響了光在組織中的傳播和散射過程。

在光散射特性方面，皮層的大血管主要表現(xiàn)為SU/MO和SO機(jī)制，而海馬區(qū)則以MU機(jī)制為主，同時(shí)靜態(tài)散射貢獻(xiàn)增加。這些差異不僅解釋了為何海馬區(qū)血管在LSCI成像中表現(xiàn)模糊，也為進(jìn)一步理解海馬區(qū)的生理功能和病理機(jī)制提供了重要線索。例如，較高的靜態(tài)散射可能會(huì)影響光線在海馬區(qū)組織中的穿透深度和散射方向，從而改變了成像的對(duì)比度和清晰度。同時(shí)，MU機(jī)制的主導(dǎo)地位可能暗示著海馬區(qū)血管內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)過程更為復(fù)雜，紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和分布可能與皮層存在顯著不同。

研究結(jié)論
1、LSCI技術(shù)在海馬區(qū)研究中的局限性
盡管激光散斑血流成像（LSCI）在大腦皮層等區(qū)域的血流灌注成像研究中表現(xiàn)出色，但在應(yīng)用于海馬區(qū)研究時(shí)，其局限性也逐漸顯現(xiàn)。海馬區(qū)大血管的空間特征模糊不清，這使得準(zhǔn)確測(cè)量血管直徑變得極為困難，甚至幾乎無法實(shí)現(xiàn)。在研究血管直徑與血流動(dòng)力學(xué)關(guān)系時(shí)，這種模糊性可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和結(jié)論的偏差。此外，由于大血管成像模糊，識(shí)別實(shí)質(zhì)區(qū)域也變得更加復(fù)雜，因?yàn)槟：�的大血管信�?hào)可能會(huì)掩蓋實(shí)質(zhì)區(qū)域的真實(shí)信號(hào)，從而影響對(duì)海馬區(qū)局部血流灌注和功能狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估。

2、海馬區(qū)的光散射特性與血流動(dòng)力學(xué)模型
研究結(jié)果明確顯示，海馬區(qū)中的多重散射無序運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制在血管系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是在大血管中表現(xiàn)得更為明顯。這一發(fā)現(xiàn)提示我們，在研究海馬區(qū)的血流動(dòng)力學(xué)過程時(shí)，必須采用相應(yīng)的對(duì)比模型來準(zhǔn)確估計(jì)解相關(guān)時(shí)間。傳統(tǒng)的基于皮層血管特性的模型可能無法準(zhǔn)確反映海馬區(qū)的真實(shí)情況，從而導(dǎo)致對(duì)血流速度、血流量等關(guān)鍵參數(shù)的錯(cuò)誤估計(jì)。

同時(shí)，海馬區(qū)中增加的靜態(tài)散射也對(duì)成像和分析提出了挑戰(zhàn)。在這種情況下，多曝光散斑成像或動(dòng)態(tài)光散射成像（DLSI）技術(shù)可能更為適用，因?yàn)樗鼈兡軌蚋�好地處理靜態(tài)散射的影響，提供更準(zhǔn)確的血管和組織信息。然而，研究也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有DLSI模型在應(yīng)用于海馬區(qū)時(shí)，擬合優(yōu)度R²低于皮層，這表明該模型可能尚未完全考慮到海馬區(qū)組織獨(dú)特的動(dòng)態(tài)光散射復(fù)雜性。海馬區(qū)大血管深埋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可能導(dǎo)致在同一像素中檢測(cè)到的光子來自不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的粒子，如既有來自大血管中相對(duì)緩慢流動(dòng)的紅細(xì)胞的散射，也有來自毛細(xì)血管中快速運(yùn)動(dòng)的紅細(xì)胞的散射，這使得光散射過程變得更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步改進(jìn)模型以提高其準(zhǔn)確性。

3、研究的創(chuàng)新點(diǎn)
研究的創(chuàng)新之處在于首次系統(tǒng)地應(yīng)用高分辨激光散斑血流成像技術(shù)（HR-LSCI）和動(dòng)態(tài)光散射成像技術(shù)（DLSI）對(duì)小鼠海馬區(qū)的血流灌注進(jìn)行了研究，并揭示了海馬區(qū)獨(dú)特的血管結(jié)構(gòu)和光散射特性。通過對(duì)比分析海馬區(qū)與皮層的差異，為深入理解海馬區(qū)的生理功能和病理機(jī)制提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

展望未來
雖然揭示了海馬區(qū)在激光散斑血流成像中的一些重要特征，但仍留下了許多未解之謎。未來的研究需要進(jìn)一步深入探究海馬區(qū)的準(zhǔn)備過程對(duì)其行為、血流灌注和細(xì)胞形態(tài)的影響。例如，在手術(shù)制作顱骨窗口和處理海馬區(qū)組織的過程中，可能會(huì)引起局部炎癥反應(yīng)、神經(jīng)遞質(zhì)釋放變化或細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)等，這些因素如何影響海馬區(qū)的正常功能以及成像結(jié)果需要進(jìn)一步明確。

此外，研究海馬區(qū)不同區(qū)域之間在血管結(jié)構(gòu)和血流動(dòng)力學(xué)方面的差異，有助于我們更全面地理解海馬區(qū)的功能分區(qū)和信息處理機(jī)制。在技術(shù)發(fā)展方面，需要開發(fā)更加先進(jìn)的成像技術(shù)和分析方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性，提高對(duì)海馬區(qū)微觀結(jié)構(gòu)和功能的分辨率和準(zhǔn)確性。結(jié)合基因編輯技術(shù)、光遺傳學(xué)技術(shù)等多學(xué)科手段，有望在細(xì)胞和分子水平上揭示海馬區(qū)在健康和疾病狀態(tài)下的奧秘，為治療與海馬區(qū)相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病提供新的理論依據(jù)和治療靶點(diǎn)。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于：Mikkelsen SH, Skøtt MV, Gutierrez E, Postnov DD. Laser speckle imaging of the hippocampus. Biomed Opt Express. 2024 Jan 30;15(2):1268-1277. doi: 10.1364/BOE.507371. PMID: 38404300; PMCID: PMC10890870.