La imagen muestra los vasos del cerebro, y los colores iluminan cómo los capilares experimentan diferentes niveles de oxigenación a medida que el cerebro sufre hipoxia. Crédito: Junjie Yao/ Duke University
Imágenes ultrarrápidas revelan la actividad cerebral con un detalle sin precedentes
20 de mayo de 2022 | Historia original de la Universidad de Duke
Bioingenieros de la Universidad de Duke han desarrollado un método para escanear e obtener imágenes del flujo sanguíneo y los niveles de oxígeno de cerebro de ratón en tiempo real con suficiente resolución tanto para ver la actividad de vasos individuales como de todo el cerebro a la vez.
Este nuevo enfoque de obtención de imágenes rompe las barreras de velocidad y resolución de en las tecnologías de imágenes cerebrales y podría permitir el descubrimiento de nuevos conocimientos sobre enfermedades neurovasculares como accidentes cerebrovasculares, demencia e incluso lesiones cerebrales agudas.
La investigación fue publicada el 17 de mayo en eljournalNatureLight: Science&Applications.
La obtención de imágenes del cerebro es un acto de equilibrio. Las herramientas deben ser lo suficientemente rápidas como para capturar eventos rápidos, como el disparo de una neurona o la sangre que fluye a través de un capilar, y asimismo, deben mostrar actividad a diferentes escalas, ya sea en todo el cerebro o a nivel de una sola arteria.
“Se puede lograr esto individualmente, pero es muy difícil hacerlo todo junto”, explicó Junjie Yao, profesor asistente de ingeniería biomédica en Duke. “Es como elegir entre tener un automóvil rápido que es pequeño e incómodo para sentarse, o un automóvil grande y espacioso que no supera las 30 millas por hora. Durante mucho tiempo, no había forma de obtener todo lo que querías a la vez”.
En su nuevo estudio, Yao y su equipo discuten cómo han resuelto esta compensación de larga data mediante el desarrollo de microscopía fotoacústica ultrarrápida, o UFF-PAM.
La microscopía fotoacústica utiliza las propiedades de la luz y el sonido para capturar imágenes detalladas de órganos, tejidos y células en todo el organismo. La técnica utiliza un láser para enviar luz a un tejido o célula objetivo. Cuando el láser impacta la célula, se calienta y se expande instantáneamente, creando una onda ultrasónica que viaja de regreso a un sensor.
La UFF-PAM se basa en una combinación de avances de hardware y algoritmos de aprendizaje automático para actualizar la técnica. Por el lado del hardware, un sistema de escaneo de polígonos envía más ráfagas láser a un área más grande, mientras que un nuevo mecanismo de escaneo permite que el escáner láser y el sensor de ultrasonido funcionen al simultáneamente. Según Yao, estos cambios duplican la velocidad de su dispositivo, convirtiendo a UFF-PAM en la tecnología de imágenes más rápida en la comunidad fotoacústica.
Yao y su equipo desarrollaron un algoritmo de aprendizaje automático que mejoró la resolución de sus imágenes. Lo entrenaron para identificar los vasos en el cerebro utilizando más de 400 imágenes de cerebros de ratones recopiladas en experimentos anteriores. Aunque cada cerebro es único, el algoritmo aprendió a identificar estructuras comunes y utilizó este conocimiento para rellenar píxeles que faltaban anteriormente.
“Las imágenes resultantes se veían tan detalladas como las imágenes de alta resolución que normalmente obtendríamos si fuéramos a una velocidad mucho más lenta, y no necesitábamos sacrificar un campo de visión completo”, explicó Yao.
Como prueba de concepto, el equipo utilizó UFF-PAM para visualizar cómo los vasos sanguíneos en un cerebro de ratón que responde a un estado hipóxico, a la hipotensión inducida por medicamentos y en condiciones de accidente cerebrovascular isquémico. Durante el desafío de la hipoxia, UFF-PAM rastreó cómo el oxígeno se movía a través del cerebro y mostró que los niveles bajos de oxígeno causaban la dilatación de los vasos sanguíneos.
En el segundo desafío, el equipo utilizó el medicamento nitroprusiato de sodio (SNP), que se usa comúnmente para tratar la presión arterial alta. Anteriormente, los investigadores pensaban que el SNP hace que todos los vasos sanguíneos del cerebro se dilaten. Pero Yao y su equipo mostraron que solo los vasos sanguíneos más grandes se abren, mientras que los vasos sanguíneos más pequeños se contraen.
"Debido a que rápidamente obtuvimos una observación de alta resolución de los vasos más pequeños, verificamos que la dilatación no es en realidad la respuesta universal al medicamento", dijo Yao. “Vimos que estos pequeños vasos no podían proporcionar suficiente oxígeno y nutrientes al tejido, lo que causó daños”.
En el desafío final, el equipo utilizó UFF-PAM para observar cómo el cerebro responde al accidente cerebrovascular y comienza a recuperarse. El equipo vio que inmediatamente después de un accidente cerebrovascular, los vasos sanguíneos en el área afectada se contraen. Esto hace que sus vasos vecinos también se contraigan en un fenómeno llamado onda de despolarización que se propaga. Debido al gran campo de visión y la alta velocidad de imagen, el equipo pudo identificar con precisión la posición inicial de la onda y rastrear su movimiento a medida que se propagaba por todo el cerebro.
De cara al futuro, el equipo tiene como objetivo utilizar UFF-PAM para explorar modelos adicionales de enfermedades cerebrales, como la demencia, la enfermedad de Alzheimer o incluso elLong COVID. También planean expandir el uso de la herramienta fuera del cerebro para obtener imágenes de órganos como el corazón, el hígado y la placenta. Estos órganos han sido tradicionalmente difíciles de visualizar porque siempre están en movimiento, por lo que las herramientas de imagen deben funcionar a una velocidad más rápida.
"Hay mucho que podemos hacer con esta tecnología ahora que hemos abordado estos obstáculos de larga data", dijo Yao. "Estamos tratando de elegir los proyectos más desafiantes en los que trabajar para maximizar el impacto de esta tecnología".
a.Esquema del sistema UFF-PAM. La trayectoria delhaz de 532 nm y la trayectoria Raman de 558 nm se combinan para obtener imágenes funcionales. Espejo dicroico DM, fotodiodo PD, transductor de ultrasonido UT. b. Espectro óptico de la salida de la trayectoria Raman y los espectros de absorción de oxihemoglobina (HbO2) y desoxihemoglobina (HbR). c.Secuencia de excitación de doble longitud de onda y las señales de PA resultantes de HbO2 y HbR. d. Esquema de primer plano del transductor de ultrasonido, el escáner de polígonos, el inicio de la detección de escaneo (SOS) y el rango de escaneo. e. Esquema de escaneo UFF-PAM. La imagen volumétrica se logra mediante el escaneo rápido de polígonos a lo largo del eje x (eje rápido) y el escaneo del motor paso a paso a lo largo del eje y (eje lento). f. Una imagen representativa de proyección de amplitud máxima (MAP) x-y de los vasos cerebrales de ratón sobre toda la corteza, adquirida por UFF-PAM a 532 nm. g.Mapa de saturación de oxígeno de la hemoglobina (sO2) del mismo cerebro de ratón, adquirido con mediciones de doble longitud de onda a 532 nm y 558 nm. Barra de escala en (f, g), 1 mm
Este trabajo fue apoyado por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud (R01 EB028143, R01 NS111039, RF1 NS115581, R21 EB027304, R21EB027981, R43 CA243822, R43 CA239830, R44 HL138185), el Premio de Ciencias Colaborativas de la Asociación Americana del Corazón (18CSA34080277), y la subvención de la Iniciativa Chan Zuckerberg sobre imágenes de tejidos profundos 2020-226178 por la Fundación Comunitaria de Silicon Valley.
Reference: Zhu X, Huang Q, DiSpirito A, et al. Real-time whole-brain imaging of hemodynamics and oxygenation at micro-vessel resolution with ultrafast wide-field photoacoustic microscopy. Light Sci Appl. 2022;11(1):138. doi: 10.1038/s41377-022-00836-2
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