Как оценить кровоток в головном мозге? Решение найдено

Несмотря на огромные достижения в области медицинской визуализации за последние несколько десятилетий, выявление застойных явлений в капиллярах головного мозга остается сложной задачей. Оптическая когерентная томография (ОКТ) в настоящее время является наилучшим доступным методом мониторинга капилляров в пределах небольшого объема. Но этот подход страдает такими недостатками как плохое временное разрешение, а это означает, что он может фиксировать только длительные события.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Neurophotonics и на портале Medical Xpress, исследовательская группа под руководством доктора Джона Гиблина из Бостонского университета попыталась решить эти проблемы¹. Используя специальную установку, исследователи продемонстрировали потенциал метода, называемого двухфотонной микроскопией с пучком Бесселя, для получения объемных изображений мозговых капилляров. Кроме того, команда предложила инновационный подход к анализу для полуавтоматизации идентификации событий остановки кровотока.

Но что такое двухфотонная микроскопия с пучком Бесселя? Двухфотонная микроскопия, широко используемый метод визуализации, использует лазерный луч для возбуждения флуоресцентных молекул внутри образца. Для излучения света должно произойти одновременное столкновение двух фотонов с флуоресцентной молекулой, что может значительно снизить фоновый шум. Кроме того, использование луча Бесселя, типа лазерного луча с уникальным распределением интенсивности, которое позволяет ему оставаться сфокусированным в узком пространстве на относительно больших расстояниях, делает метод еще более перспективным.

Благодаря такому подходу исследователи смогли получать четкие изображения всех капилляров в объеме 713 × 713 × 120 мкм³ примерно каждые две секунды. На этих изображениях остановку кровотока можно обнаружить простым способом, сосредоточившись на движении эритроцитов, которые выглядят как тени. Если клетки остаются в одном и том же месте внутри капилляра в течение двух или более последовательных циклов, это означает, что кровоток внутри капилляра прекратился.

По сравнению с ОКТ, предложенный подход позволяет генерировать изображения намного быстрее, обеспечивая лучшее временное разрешение. Однако больший объем данных, получаемых с помощью этой установки, только усугублял проблему анализа данных. Таким образом, команда разработала метод, облегчающий идентификацию событий с остановкой кровотока.

Предлагаемая процедура анализа основана на том факте, что интенсивность изображения вдоль закупоренного капилляра на двухфотонном изображении останется относительно неизменной. Исследователи внедрили алгоритм для вычисления корреляции интенсивности между кадрами для отдельных капилляров; высокая корреляция означает, что капилляр закупорен. Визуализируя рассчитанную корреляцию вместо необработанного изображения интенсивности, исследователи обнаружили, что так гораздо проще и быстрее идентифицировать события с остановкой кровотока.

Команда протестировала свою полуавтоматическую технику анализа данных в экспериментах in vivo на мышах, чтобы изучить изменения в капиллярном кровотоке до и после инсульта. Предложенная стратегия вдвое сократила время, необходимое для анализа. Более того, визуализация корреляции интенсивности оказалась более надежной для обнаружения сбоев кровотока, чем "слепое" наблюдение необработанных изображений. В отличие от OКT, эта стратегия визуализации также позволяла обнаруживать кратковременные сбои в работе капилляров.

Кроме того, двухфотонная микроскопия с пучком Бесселя позволяет оценить диаметр кровеносных сосудов на основе интенсивности флуоресценции. Чтобы продемонстрировать эту особенность, исследователи изучили взаимосвязь между остановками кровотока и расширением артерий, выявив, что расширенные сосуды могут временно уменьшать остановку.

Заместитель редактора журнала "Нейрофотоника" Джи Йи, профессор офтальмологии и биомедицинской инженерии Университета Джона Хопкинса, отмечает: "В совокупности, результаты этого исследования демонстрируют возможности двухфотонной микроскопии с пучком Бесселя для изучения сложной работы системы кровообращения головного мозга и ее последствий для неврологического здоровья". Авторы надеются, что в ближайшем будущем полностью автоматизированные методы обнаружения торможения кровотока помогут ученым исследовать, диагностировать и оценивать лечение заболеваний головного мозга.