摘要：Shen, Y.Y., Jethe, J.V., Reid, A.P.et al.Label free, capillary-scale blood flow mapping in vivo reveals that low-intensity focused

Shen, Y.Y., Jethe, J.V., Reid, A.P. et al.Label free, capillary-scale blood flow mapping in vivo reveals that low-intensity focused ultrasound evokes persistent dilation in cortical microvasculature.Commun Biol8, 12 (2025). https://doi.org/10.1038/s42003-024-07356-2

非侵入性低强度聚焦超声（FUS）是一种新兴神经调节技术，具有精准治疗潜力。研究表明，FUS可通过机械敏感离子通道调节神经元活动，影响持续数小时至数天。大脑血流能力涉及多种脑血管细胞和信号通路，但血管机制对持续影响的贡献尚不明确。我们通过体内光学方法发现，超声处理后微脉管系统而非大血管显著扩张，揭示了FUS体内作用的新方面，并暗示神经血管功能变化可能是持久神经调节作用的基础。

低强度聚焦超声（FUS）相较于其他非侵入性技术如经颅磁刺激（TMS）和经颅直流电刺激（tDCS），能更精确地将刺激限制在3-5数量级和毫米级的体积内，减少脱靶效应，实现个性化治疗。FUS已在人类中用于治疗中风、阿尔茨海默病、特发性震颤、帕金森病和慢性疼痛。它还能改变动物和人类的感觉诱发神经反应，包括体感和视觉，为脑机接口提供新刺激方法。 核心在于深入理解剂量与效果关系。FUS刺激参数广泛，调整如占空比能改变大脑反应和效应持续时间。FUS激活机械敏感Ca2+通道引发动作电位，增加Ca2+流入星形胶质细胞，促进谷氨酸释放。FUS可引发长期可塑性，可能通过调节NMDA受体功能实现。FUS还可能通过增加脑源性神经营养因子等促进树突棘生长。超声诱发脑血管效应和血流动力学可能基于神经元活动，与神经调节效应相关。神经活动导致脑血流量和容量变化，称为神经血管耦合，涉及多种细胞和信号机制。动脉系统扰动影响神经元功能，毛细血管病理性扰动可能导致微血管缺血。FUS诱导的神经效应涉及机械敏感通道，如TRPC1、TRPP1和Piezo1，在血管内皮和平滑肌细胞中表达，对血管发育和重塑关键。血流动力学滞后于神经激活，可能导致持续的表观神经可塑性。

研究已通过侵入性和非侵入性方法探讨了FUS对脑血流动力学的影响。功能性磁共振成像（fMRI）利用BOLD信号无创地研究FUS神经调节的深部大脑效应及其在人类大脑中的可行性，揭示了FUS诱导的皮质和皮质下充血。近红外光谱（NIRS）作为另一种非侵入性监测方法，用于测量FUS引起的血流动力学信号，尽管空间分辨率较低，但时间分辨率更高。研究发现FUS引起的血流动力学反应在20秒内基本消失，与NIRS测量的感觉诱发充血相似。相比之下，激光散斑对比成像和光学本征信号成像等侵入性技术能检测FUS引起的特定血流和扩张变化，观察到FUS诱导的单个血管血流动力学反应在约10秒内消退。

FUS对微血管的影响尚未明确，现有技术如激光散斑和OISI因轴向分辨率低而受限。开发一种无标记OCT-A技术，能直接观察体内微血管至毛细血管水平，优于需示踪剂的光学技术。OCT-A利用红细胞移动解析脉管系统，深度分辨率高，不受物镜限制。结合声学和光学焦点的大孔径换能器使我们能直接观察FUS对皮质微血管的影响。

A描绘了具有串联 FUS 环形传感器的定制频域 OCT-A 设备的示意图。插图显示了一个 1 mm × 1 mm 的正面 z 投影样本，揭示了体感皮层中测量的流动模式。B显示了根据 OCT-A 图像重建的血管结构 3D 表面网格渲染示例。C显示 FUS 光束的横向轮廓（比例尺 = 1 mm），D说明脉冲超声处理方案；sonication was delivered as a 20 s period of 510 kHz ultrasound pulsed at 1 kHz with 50% duty cycle。

FUS 在小直径血管分支中引起的血管扩张最为显着

对超声处理动物的数据进行平均，不包括仅用于免疫组织化学分析的动物，在 510 kHz FUS（50% 占空比，1 kHz 脉冲重复）下进行超声处理，空间峰值脉冲平均强度 ( I sppa ) 为 1 W/cm² ( N = 10) 和 10 W/cm² ( N = 10) 持续 20 秒（图 3A、B）会产生小的、大于15μm的血管分支直径没有显着变化，但引起较小血管分支的显着扩张（图 3C-E和表 1）。缩写后的内容如下：FUS前，小血管平均直径6.2±1.3μm。1W/cm²超声处理1分钟后，直径增至17%±3%（P

图 5：血管完整性和 BBB 通透化的免疫组织化学评估。

A显示了 FUS 所针对的大脑上的相对坐标的图示。内侧位置接受较高强度的超声处理（>200 W/cm 2I sppa，100% 占空比，20 秒），而外侧位置接受较低强度的超声处理（1.2 W/cm 2，100% 占空比，20 秒） ）。B–D显示在进行超声处理的 rostrocaudal 轴位置获得的冠状切片。洋红色和青色箭头分别代表高强度和低强度超声处理位置。CD31 标记显示在B中，伊文思蓝标记显示在C和D 中显示合并图像。结果显示了四只经超声处理的动物（由以“M”开头的实验 ID 表示）和一只假动物。

讨论

本研究首次揭示了FUS对血管反应的影响，以往研究主要关注大血管或组织血流动力学。与双光子显微镜分析FUS和微泡对微血管的影响不同，研究可能揭示了不同的机制。既往文献多报道血管收缩，但Cho等也观察到小血管舒张。这些效应可能与血脑屏障破坏后的炎症反应有关。尽管免疫组织化学分析未发现明显的血脑屏障损伤，FUS仍可能引起微妙的炎症效应。观察到的微血管扩张可能是FUS诱导神经元活动增强的次生效应。Clennell等发现FUS可导致皮质神经元兴奋性增强长达8小时，可能与Kv2.1去磷酸化有关。急性感觉激活会短暂增加毛细血管血流量，而持续的微血管扩张可能与长期神经元兴奋性相关。

FUS敏感的机械敏感离子通道可能在培养细胞中响应FUS，并在神经血管细胞中表达。尽管无法直接探索特定细胞类型，深度解析分析成像结果可能间接支持周细胞的作用。血管分支直径随分支顺序减小，高阶分支具有不同细胞类型。双光子成像显示小动脉分支概率峰值比小静脉更深，后者在皮质表面附近达到峰值。我们的观察表明FUS引起的扩张主要发生在高分支序的毛细血管前小动脉和毛细血管。OCT-A成像中的深度特征可能因投影伪影和多次散射而复杂，限制了特定深度范围的血管数量归因。小型血管可能在深度解析分析中代表性不足。未来工作将探讨使用卷积神经网络等计算方法减轻这些伪影。

周细胞在神经血管耦合中的作用备受争议，其在血管扩张中的重要性不容忽视。研究表明，周细胞维持基底张力并可能促进扩张，响应速度慢于平滑肌细胞，与低α-SMA表达有关。若FUS敏感血管缺乏平滑肌细胞，则周细胞功能改变可能是关键机制。FUS引发的星形胶质细胞释放NO可能激活eNOS，在毛细血管水平引起周细胞松弛和扩张。麻醉剂可能干扰小动物FUS神经调节研究，因为它们改变血流动力学和血管功能，影响大脑自动调节和神经血管耦合。研究发现FUS能改变麻醉状态，尤其是与氯胺酮-甲苯噻嗪相关。FUS对脑干核的影响也与异氟烷麻醉恢复速度有关。丘脑皮质振荡和脑干核团的相互作用在麻醉下调节意识中起关键作用，因此FUS可能影响麻醉恢复。我们的实验避免皮层下效应，将异氟醚水平控制在2%以下。尽管可能性不大，但我们的观察结果可能反映了FUS对麻醉状态的影响。然而，假实验中缺乏直径变化表明FUS后的扩张不是由整体生理趋势引起的。

FUS神经调节的“持续效应”可能涉及神经、星形细胞和血管的综合作用。微血管扩张不单纯是被动现象，而是可能与周细胞依赖性机制相关，涉及机械敏感离子通道激活和NO释放。未来研究可通过改进设备定量分析血流变化，如黄等人所示的OCT技术。整合OCT-A有助于区分动脉和静脉血流。深入理解机制并开发计算模型将优化实验设计，提高FUS神经调节效应预测的准确性。

方法

所有动物实验都是按照纽约医学院机构动物护理和使用委员会的指导方针进行的，该委员会也为我们的研究授予了伦理批准。我们遵守动物使用的所有相关道德法规。4-6 个月大的成年雄性 C57BL/6 J 小鼠用初始剂量的 5% 异氟烷（在医用级压缩氧气中蒸发）麻醉

在准备开颅手术过程中，头皮皮下注射利多卡因，并在初级体感皮层上前肢代表的区域进行中线切口（与前囟在头尾轴上的同一点，横向约 2.5 毫米） ）。使用氰基丙烯酸酯粘合剂（Loctite 454，HenKel，威斯康星州）将定制的铝头杆固定在暴露头骨的左侧，以改善手术和实验过程的定位。使用手持式牙钻（Osada Model EXL-M40）进行 2.5 × 3 mm 矩形开颅手术，小心不要损坏硬脑膜。为了最大限度地提高光学和声学透明度，暴露的大脑被一块 2.5 × 2.5 毫米方形聚（4-甲基-1-戊烯）（PMP）覆盖（Goodfellow Cambridge Ltd，Huntingdon，英格兰）（Koekkoek 等人，2018）。PMP 窗口外缘与开颅内缘之间的间隙用无色手术硅胶粘合剂（Kwik-Sil，World Precision Instruments，佛罗里达州）填充，并用瞬间粘合凝胶将 PMP 窗口密封到颅骨上（ Loctite 454，汉凯，威斯康星州）。金属头杆和暴露的头骨覆盖有牙科水泥（C&B Metabond，帕克尔，纽约）。在成像和超声处理实验之前，让动物恢复四天，并在成像过程后通过颈椎脱位直接安乐死。PMP 窗口用即时粘合凝胶（Loctite 454，HenKel，威斯康星州）密封到头骨上。金属头杆和暴露的头骨覆盖有牙科水泥（C&B Metabond，帕克尔，纽约）。在成像和超声处理实验之前，让动物恢复四天，并在成像过程后通过颈椎脱位直接安乐死。PMP 窗口用即时粘合凝胶（Loctite 454，HenKel，威斯康星州）密封到头骨上。金属头杆和暴露的头骨覆盖有牙科水泥（C&B Metabond，帕克尔，纽约）。在成像和超声处理实验之前，让动物恢复四天，并在成像过程后通过颈椎脱位直接安乐死。

体内超声处理方案

来源：医学镜界