Исследователи продемонстрировали свою технику, используя лазерный метод измерения того, как кокаин нарушает кровоток в мозгу мышей. По словам соавтора Интянь Пана, профессора кафедры биомедицинской инженерии Университета Стоуни-Брук, полученные изображения являются первыми в своем роде, которые прямо и четко документируют такие эффекты. «Мы показываем, что количественная визуализация потока может предоставить много полезной физиологической и функциональной информации, к которой у нас раньше не было доступа», – говорит он.
Наркотики, такие как кокаин, могут вызывать кровотечения и инсульты, похожие на аневризмы, но точные детали того, что происходит с кровеносными сосудами мозга, остаются неуловимыми – отчасти потому, что современные инструменты визуализации ограничены в том, что они могут видеть, говорит Пан. Но, используя свои новые и улучшенные методы, команда смогла точно наблюдать, как кокаин влияет на крошечные кровеносные сосуды в мозгу мыши.
Изображения показывают, что после 30 дней хронической инъекции кокаина или даже после просто повторной острой инъекции кокаина скорость кровотока резко падает. Исследователи впервые смогли идентифицировать вызванную кокаином микроишемию, когда кровоток прекращается, что является предвестником инсульта.
По словам Пэна, измерение кровотока имеет решающее значение для понимания того, как работает мозг, будь то хирург-нейробиолог или нейробиолог, изучающий, как лекарства или болезнь влияют на физиологию, метаболизм и функции мозга. Такие методы, как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), обеспечивают хорошую общую карту потока деоксигенированной крови, но у них недостаточно высокого разрешения для изучения того, что происходит внутри крошечных кровеносных сосудов, называемых капиллярами. Между тем, другие методы, такие как двухфотонная микроскопия, которая отслеживает движение красных кровяных телец, помеченных флуоресцентными красителями, имеют небольшое поле зрения, которое позволяет измерять только несколько сосудов за раз, а не кровоток в цереброваскулярных сетях.
В последние несколько лет исследователи, включая Пана и его коллег, разработали другой метод, называемый оптической когерентной доплеровской томографией (ODT). В этой технике лазерный луч попадает на движущиеся клетки крови и отражается обратно. Измеряя сдвиг частоты отраженного света – тот же эффект Доплера, который вызывает повышение или понижение высоты звука сирены по мере того, как она движется к вам или от вас, – исследователи могут определить, насколько быстро течет кровь.
Оказывается, ODT предлагает широкое поле зрения при высоком разрешении. «Насколько мне известно, это уникальная технология, которая может делать и то, и другое», – сказал Пан. И для этого не требуются флуоресцентные красители, которые могут вызывать вредные побочные эффекты у пациентов-людей или оставлять нежелательные артефакты – например, от взаимодействий с тестируемым лекарством – при использовании для визуализации мозга животных.
Однако две проблемы с обычным ODT на данный момент заключаются в том, что он чувствителен только к ограниченному диапазону скоростей кровотока и недостаточно чувствителен для обнаружения медленных капиллярных потоков, объяснил Пан. Новый метод исследователей, описанный в сегодняшней статье Biomedical Optics Express, включает новый метод обработки, называемый фазовым суммированием, который расширяет диапазон и позволяет визуализировать капиллярные потоки.
Еще одно ограничение обычного ODT заключается в том, что он не работает, когда кровеносный сосуд перпендикулярен входящему лазерному лучу.
На изображении часть судна, перпендикулярная линии обзора, не будет видна, а будет темной. Но, отслеживая наклон кровеносного сосуда вверх или вниз рядом с этим темным пятном, исследователи разработали способ использовать эту информацию для более точной интерполяции недостающих данных.
ODT может видеть только до 1-1.На 5 миллиметров ниже поверхности, поэтому метод ограничен небольшими животными, если исследователи хотят проникнуть в более глубокие части мозга. Но, по словам Пан, это было бы полезно, когда мозг обнажают в операционной, чтобы помочь хирургам оперировать опухоли, например.
Новый метод лучше всего подходит для исследования мелких кровеносных сосудов и сетей, поэтому его можно использовать также для визуализации капилляров глаза. Биоинженеры также могут использовать его для мониторинга роста новых кровеносных сосудов при инженерии тканей, сказал Пан.
Кроме того, информация о кровотоке в головном мозге также может быть использована для разработки новых вариантов лечения выздоравливающих наркоманов.