Sci. Rep.：OCTA毛細(xì)血管測(cè)速法揭示毛細(xì)血管流量變化

模型研究表明，功能性充血期間毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間不均勻性（CTTH）的減少，這對(duì)腦氧合作用非常關(guān)鍵。華盛頓大學(xué)研究人員Yuandong Li等使用光學(xué)相干斷層掃描血管造影（OCTA）毛細(xì)血管測(cè)速法，體內(nèi)探測(cè)了嚙齒動(dòng)物模型腦毛細(xì)血管床的血流動(dòng)力學(xué)，并驗(yàn)證了功能性激活期間CTTH的變化。通過(guò)評(píng)估電刺激下后爪組織內(nèi)數(shù)千個(gè)毛細(xì)血管的血流動(dòng)力學(xué)及隨后的通過(guò)時(shí)間參數(shù)，發(fā)現(xiàn)后肢體感皮層（HLS1）中毛細(xì)血管平均通過(guò)時(shí)間（MTT）（9.8%±2.2）和CTTH（5.9%±1.4）均減少。此外HLS1與未激活的皮層區(qū)域間，毛細(xì)血管流動(dòng)模式的改變有顯著差異（p< 0.05）。這些定量發(fā)現(xiàn)揭示了功能性激活期間存在局部微循環(huán)調(diào)整，與以前的研究一致，支持毛細(xì)血管流量均勻化對(duì)腦氧合有重要貢獻(xiàn)。也證明了OCTA測(cè)速法的有用性，可以結(jié)合動(dòng)物模型成像體內(nèi)微循環(huán)動(dòng)力學(xué)，更全面地了解血液動(dòng)力學(xué)-代謝耦合。文章以“Capillary flow homogenization during functionalactivation revealed by optical coherence tomography angiography based capillaryvelocimetry”為題發(fā)表于Scientific Reports。

  背景

 正常的大腦功能依賴血流調(diào)節(jié)氧氣供應(yīng)，以滿足活躍變化的代謝需求。通過(guò)使用功能性磁共振成像（fMRI），對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)和腦血流（CBF）之間的時(shí)空關(guān)系，即神經(jīng)血管耦合，已經(jīng)有了一定研究。具體而言，通過(guò)fMRI觀察到神經(jīng)血管耦合過(guò)程中的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，如局部CBF增加超過(guò)腦氧代謝率（CMRO₂），導(dǎo)致腦組織中脫氧血紅蛋白濃度降低，產(chǎn)生的血氧水平依賴（BOLD）信號(hào)對(duì)比度可用于功能性腦成像。目前對(duì)這種流量-代謝耦合的理解尚不完整，特別是與相對(duì)增加的CMRO₂相比，CBF的升高不成比例，表明在耗氧量和充血程度之間的非線性耦合中，還有其他因素參與。

 Jespersen和Østergaard重新研究了氧的流動(dòng)擴(kuò)散函數(shù)，結(jié)合考慮紅細(xì)胞穿越毛細(xì)血管床時(shí)間的不均勻分布，評(píng)估腦組織中的氧提取。模擬了CBF和毛細(xì)管通過(guò)時(shí)間不均勻性（CTTH）對(duì)最大氧提取分?jǐn)?shù)（OEF^max）的綜合影響。該理論模型（圖1）中，血流動(dòng)力學(xué)對(duì)OEF^max的貢獻(xiàn)由血管平均通過(guò)時(shí)間（MTT）和CTTH確定，其中根據(jù)中心體積理論MTT與CBF成反比，CTTH被量化為紅細(xì)胞通過(guò)時(shí)間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差。功能激活期間，由于初始CBF增加導(dǎo)致的OEF固有減少被CTT的均勻化抵消，即CTTH降低，這將確保了在隨后（或同時(shí)）的充血發(fā)作期間有足夠的氧合，以滿足激活組織床中增加的氧代謝需求。該模型為功能性激活中CBF不成比例的增加提供了生物物理支持，并為神經(jīng)血管耦合中毛細(xì)血管流量調(diào)整的定量表征建立了一個(gè)框架。

 對(duì)當(dāng)前的顯微神經(jīng)成像技術(shù)來(lái)講，體內(nèi)成像毛細(xì)血管流動(dòng)動(dòng)力學(xué)以及驗(yàn)證CTTH假說(shuō)仍很具挑戰(zhàn)性。已有研究使用高分辨率雙光子顯微術(shù)（TPM）或共聚焦激光掃描熒光顯微術(shù)等團(tuán)注追蹤技術(shù)，評(píng)估了嚙齒動(dòng)物大腦中的MTT和CTTH。但不能對(duì)單個(gè)毛細(xì)血管中的紅細(xì)胞進(jìn)行直接成像，因此無(wú)法獲得毛細(xì)血管床中紅細(xì)胞通過(guò)時(shí)間的空間分布以進(jìn)行準(zhǔn)確的CTTH評(píng)估。使用TPM的單線掃描測(cè)速儀可直接測(cè)量單個(gè)毛細(xì)管中的紅細(xì)胞速度，但該技術(shù)數(shù)據(jù)采集速度過(guò)慢（幾小時(shí)），且采集的樣本量不足以用于分析（< 100個(gè)毛細(xì)血管）。光學(xué)相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCTA）能夠?qū)δX動(dòng)脈和靜脈中的血流進(jìn)行三維定量成像、可視化毛細(xì)血管水平的微血管，可彌補(bǔ)線掃描TPM的局限性。但當(dāng)前OCTA技術(shù)的統(tǒng)計(jì)能力還不足以準(zhǔn)確表征毛細(xì)血管的流速。Lee等人開(kāi)發(fā)并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度變異分析，結(jié)合OCTA，在約1s內(nèi)跟蹤了數(shù)百個(gè)毛細(xì)血管中紅細(xì)胞流量的變化，揭示了大鼠前爪受電刺激期間，體感皮層中的毛細(xì)血管流量均勻化，證明基于OCTA的技術(shù)在研究神經(jīng)激活期間的微循環(huán)動(dòng)力學(xué)方面具有很大潛力。

 本文作者在OCTA的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種特征分解（eigen-decomposition, ED）分析的統(tǒng)計(jì)方法，從高速OCT掃描產(chǎn)生的相干光信號(hào)中提取動(dòng)態(tài)毛細(xì)流動(dòng)的頻率分量。初步結(jié)果表明，單個(gè)毛細(xì)管中測(cè)得的平均頻率和平均紅細(xì)胞速度之間存在線性關(guān)系。該方法已成功用于定量小鼠的毛細(xì)血管流量參數(shù)，通過(guò)在一個(gè)具有50 μs時(shí)間分辨率的體積式數(shù)據(jù)集中測(cè)量數(shù)千個(gè)毛細(xì)血管，揭示了缺血性卒中損傷前后小鼠體感皮層的MTT和CTTH差異。

 本文將這種新穎的ED分析方法與OCTA相結(jié)合，研究了刺激誘發(fā)皮層激活過(guò)程中微循環(huán)發(fā)生的調(diào)整。結(jié)合激光散斑對(duì)比成像（LSCI）獲得的氧合圖，基于氧消耗對(duì)激活和非激活皮層進(jìn)行了OCTA測(cè)速掃描，并首次將毛細(xì)血管流量響應(yīng)與氧代謝信號(hào)相關(guān)聯(lián)。旨在利用統(tǒng)計(jì)學(xué)，通過(guò)OCTA數(shù)據(jù)在體內(nèi)驗(yàn)證先前建模研究中提出的結(jié)論，即功能性充血期間局部CTTH減少。

 

 

圖1研究CTTH對(duì)腦氧合影響的Jespersen&Østergaard模型示意圖。上方指功能激活期間神經(jīng)血管耦合中的動(dòng)脈張力調(diào)節(jié)，表現(xiàn)為功能性充血，可見(jiàn)CBF過(guò)度增加（相對(duì)于CMRO²的增加）。下方代表功能激活期間的微循環(huán)調(diào)整，包括毛細(xì)血管血流均勻化。本研究中，毛細(xì)血管流動(dòng)動(dòng)力學(xué)用γ函數(shù)h(τ)中毛細(xì)管通過(guò)時(shí)間τ的分布建模，其中MTT由γ函數(shù)的平均值α β確定，CTTH由標(biāo)準(zhǔn)偏差β確定。由單個(gè)毛細(xì)管貢獻(xiàn)Q(τ)通過(guò)分布h(τ)加權(quán)計(jì)算整個(gè)毛細(xì)管床的OEF。在皮質(zhì)激活期間，假設(shè)根據(jù)中心體積理論，CBV'=CBF · MTT是恒定的，由于MTT減少而導(dǎo)致的OEF固有減少必須伴有CTTH減少（毛細(xì)血管均化），以確保足夠的氧合水平，從而在功能性充血期間達(dá)到OEF^max。

  結(jié)果

 01-后爪電刺激時(shí)HLS1的激活
 首先確定顱窗和包括前肢（FLS1）和后肢（HLS1）在內(nèi)的小鼠初級(jí)體感皮層之間的空間關(guān)系（圖2a）。為精確定位HLS1，在靜息（圖2b）和后爪電刺激（圖2c）期間，在顱窗處進(jìn)行LSCI成像。在刺激過(guò)程中觀察到局部脫氧血紅蛋白（ΔHb）升高，表明在HLS1處氧氣利用率增加（在圖2c中顯示為較暖的顏色）。氧合圖驗(yàn)證了HLS1處刺激誘發(fā)了激活，并可用于指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究毛細(xì)血管流動(dòng)模式局部變化。
   

 

圖2通過(guò)LSCI揭示的氧合圖。（a）光鏡圖像，示出顱窗、FLS1和HLS1的相對(duì)位置。（b）和（c）分別為靜息和刺激期間的ΔHb，覆蓋有顱窗內(nèi)的動(dòng)脈血管造影圖。彩條代表Hb濃度差異。c中較暖的區(qū)域?qū)��?yīng)較高的ΔHb水平，表明功能激活期間HLS1區(qū)域有氧消耗。β：前鹵；λ：后鹵；SS：矢狀縫；FLS1：前肢體感皮層；HLS1：后肢體感皮層。

 

02-HLS1和CTRL處的OCTA血管造影及測(cè)速
 從體積式三維OMAG數(shù)據(jù)集的x-y正面最大投影（MIP）獲得顱窗內(nèi)的腦血管造影圖（圖3a）。在距皮質(zhì)表面300μm厚的組織內(nèi)，血管在軸向空間（z）中的深度位置用顏色顯現(xiàn)。紅色、綠色和藍(lán)色分別代表從表層軟腦膜血管到較深毛細(xì)血管。根據(jù)氧合圖，選擇氧合增加的皮質(zhì)區(qū)域HLS1和非激活區(qū)域CTRL進(jìn)行靜息和刺激情況下的測(cè)速掃描。以HLS1靜息（圖3b）和刺激（圖3c）期間，以及CTRL靜息（圖3d）和刺激（圖3e）期間的x-y正面平均強(qiáng)度投影（AIP）顯示三維測(cè)速掃描的中頻（MF）圖。圖中每個(gè)信號(hào)點(diǎn)代表動(dòng)態(tài)紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的一個(gè)MF分析，顏色條顯示MF值（Hz）。在四張圖譜的每一張中，從距皮質(zhì)表面300μm厚的三維空間獲得了> 20,000個(gè)MF信號(hào)。

 

 

圖3腦血管造影和毛細(xì)血管速度圖。（a）顱窗內(nèi)距皮質(zhì)表面300μm的三維OMAG數(shù)據(jù)集的正面MIP。虛線方塊表示OCTA測(cè)速掃描區(qū)域。如先前ΔHb圖所示，黃色正方形包圍激活中心（HLS1）內(nèi)的血管床，白色方形標(biāo)記遠(yuǎn)離激活中心且沒(méi)有明顯氧合消耗變化的對(duì)照區(qū)域（CTRL）。（b-e）HLS1靜息（b）和刺激（c）期間、CTRL靜息（d）和刺激（e）期間的三維MF圖譜的正面AIP圖像。顏色條表示MF值。紅色虛線方塊表示選擇用于速度分布分析的區(qū)域，避免包含大的軟腦膜小動(dòng)脈。
 

 

03-HLS1處的毛細(xì)管通過(guò)時(shí)間分布變化和CTTH降低

 評(píng)估HLS1處在靜息期間和電刺激時(shí)，MF和通過(guò)時(shí)間的空間分布。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估毛細(xì)血管流動(dòng)動(dòng)力學(xué)，分割以去除直徑> 15μm的較大血管的MF信號(hào)（圖4a）。其中MF值繪制成直方圖分布，白色條表靜息，黑色條表刺激（圖4b）。對(duì)這兩種分布進(jìn)行區(qū)分（圖4d），表明大多數(shù)毛細(xì)血管中的紅細(xì)胞速度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上向低速偏移，流速較快的計(jì)數(shù)變少。毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間由MF導(dǎo)出的速度轉(zhuǎn)換而來(lái)，并繪制成直方圖分布（圖4c）。靜息和刺激之間的差異表明，刺激期間，通過(guò)時(shí)間在統(tǒng)計(jì)上向較低值偏移，較長(zhǎng)傳輸時(shí)間的計(jì)數(shù)變少（圖4e）。為導(dǎo)出MTT和CTTH值，將兩個(gè)直方圖擬合到伽馬函數(shù)曲線中（圖4f），用αβ計(jì)算MTT，計(jì)算CTTH。通過(guò)測(cè)量12只動(dòng)物HLS1中的相對(duì)變化，觀察到從靜息到刺激，MTT降低了9.8% ± 2.2，CTTH降低了5.9% ± 1.4。
   

 

圖4 HLS1處毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間分布。（a）MF圖，去除較大表面小動(dòng)脈（> 15μm）后，距皮質(zhì)表面300μm的三維數(shù)據(jù)集的AIP。（b）靜息和刺激狀態(tài)下的MF直方圖分布。（c）毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間的直方圖分布。（d）b中直方圖函數(shù)之間的區(qū)別。（e）c中直方圖函數(shù)之間的區(qū)別。黑色虛線表示正負(fù)值之間的轉(zhuǎn)換。（f）伽馬函數(shù)擬合c中的毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間分布。擬合中的測(cè)定系數(shù)為R²=0.9873（靜息，虛線）和0.9811（刺激，實(shí)線）。
 

 

04-對(duì)照區(qū)域的毛細(xì)管通過(guò)時(shí)間分布

 研究也證明了CTRL處的毛細(xì)管流量分布的變化，展示了靜息和刺激條件下分割后MF正面投影圖譜（圖5a）。根據(jù)MF（圖5b）和通過(guò)時(shí)間（圖5c）的直方圖分布、靜息和刺激之間的區(qū)別（圖5d，e），以及幾乎重疊的伽馬函數(shù)曲線（圖5f），可以推斷在后爪電刺激期間對(duì)照區(qū)毛細(xì)血管流動(dòng)模式?jīng)]有顯著變化。對(duì)12只動(dòng)物非激活區(qū)的觀察結(jié)果一致。

 

圖5對(duì)照區(qū)域的毛細(xì)管通過(guò)時(shí)間分布。（a）靜息和刺激下CTRL區(qū)域的MF圖譜。（b）和（c）分別為MF和毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間的直方圖分布。（d）和（e）分別為MF和通過(guò)時(shí)間的直方圖函數(shù)從靜息到刺激的區(qū)別。靜息和刺激的差異不明顯，也沒(méi)有明確的從負(fù)值到正值的轉(zhuǎn)換。（f）伽馬函數(shù)擬合毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間分布，其中靜息和刺激的R²分別為0.9796和0.9922。

 

05-HLS1和CTRL處的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其在刺激下的相對(duì)變化

 比較HLS1和CTRL處的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化（從靜息到刺激）。在電刺激時(shí)，兩個(gè)區(qū)域間ΔMTV (mean transit velocity)（t檢驗(yàn)，p < 0.01）（圖6a）和ΔMTT (mean transit time)（t檢驗(yàn)，p < 0.01）（圖6b）有顯著差異，表明在后爪電刺激期間，HLS1區(qū)域毛細(xì)血管床中行進(jìn)的紅細(xì)胞通過(guò)速度更高、通過(guò)時(shí)間更短。而兩個(gè)區(qū)域間顯著的CTTH差異（t檢驗(yàn)，p<0.05）（圖6c）表明，局部毛細(xì)血管均勻化僅針對(duì)HLS1，而不是遍及所有皮質(zhì)區(qū)域。表1列出了靜息和刺激時(shí)兩個(gè)區(qū)域的MTV、MTT和CTTH。
 表1  

 

 

圖6 HLS1和CTRL毛細(xì)血管參數(shù)的統(tǒng)計(jì)比較。（a）ΔMTV，（b）ΔMTT，（c）ΔCTTH。* p< 0.05，* * p< 0.01。

 

 

結(jié)論

 本文通過(guò)對(duì)小鼠后爪電刺激研究了小鼠體感皮層微循環(huán)在功能性激活下的調(diào)整。對(duì)腦組織床毛細(xì)血管通過(guò)時(shí)間進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)性O(shè)CTA分析顯示，MTT下降與功能性充血（CBF增加）和CTTH減少（局部ΔHb增加）一致。結(jié)果了支持毛細(xì)血管血流均勻化在功能性充血時(shí)腦組織氧合中的重要作用。高時(shí)空分辨率的OCTA毛細(xì)血管測(cè)速方法可體內(nèi)定量評(píng)估嚙齒動(dòng)物腦微循環(huán)動(dòng)力學(xué)，有助于更好地理解神經(jīng)血管耦合機(jī)制�？蓱�(yīng)用于研究正常和血流代謝缺陷病理?xiàng)l件下，CTTH變化或功能障礙。
  

參考文獻(xiàn)：Li, Y. ,  W. Wei , and  R. K. Wang . "Capillary flow homogenization during functional activation revealed by optical coherence tomography angiography based capillary velocimetry." Scientific Reports.