ICONEUS脑功能成像，一种研究清醒动物全脑活动的新方法
随着脑科学研究的不断发展，我们既需要研究动物离体脑组织的结构特征，也要深入观察活体大脑的工作状态，更进一步，我们还想探究动物在特定行为下的脑神经活动。今天我们想跟大家探讨动物活体脑成像的实验方法。
当前，我们拥有多种手段来观察动物活体大脑如何工作。每种技术都有其独特的优势，同时也伴随着固有的限制：
1. 在体钙成像、在体多通道记录等技术，具有较高的时空分辨率，但观察范围小，无法检测全脑的活动；
2. EEG和MEG都具有较高的时间分辨率，但空间分辨率非常有限；
3. PET需要使用放射性化合物，且空间分辨率较低；
4. 功能磁共振成像（fMRI）提供了较好的空间分辨率，是目前很流行的用于人类脑深部成像的“金标准”，但要求实验对象必须完全固定，而且大部分电生理记录和行为学控制设备因为电磁兼容性问题无法在fMRI中使用，如感知觉信息处理和整合、运动控制、学习和记忆、注意与抉择等实验大部分都无法与fMRI结合进行或者可开展的实验非常受限。
法国国立卫生与医学研究所的Mickael Tanter研究小组在20多年的探索尝试中，开发了一种基于超高速超声成像（每秒超过1000帧）的深部功能性脑成像的新方法fUS（functional ultrasound）。这种基于平面波传输的超快成像概念是他们小组于1996年在朗之万研究所提出的，它是fUS成像的核心。
这种超高速扫描仪每秒能够产生数千幅超声波图像，空间分辨率达到100μm x 100μm，可穿透2cm以上厚度的组织，足够扫描大鼠全脑。这种灵敏度的巨大提高打破了一个科学障碍，因为它允许超声波在不局限于大血管的情况下，绘制大脑血管的微妙血流动力学变化图，并通过神经血管耦合（neurovascular coupling）揭示实时的神经活动。
相比于fMRI技术，fUS技术可记录自由活动的小动物，具有更高的时空分辨率，更轻便的设备体积，更高的电磁兼容性，更经济的价格和更低的使用门槛，是脑科学研究领域又一革命性的新技术，将脑功能成像引入到了更广泛的基础研究领域，结合分子、细胞、环路水平的研究手段，建立从离体到整体，从微观到宏观的桥梁。
技术优势一：高时空分辨率和高信噪比
fUS相比fMRI 具有更高的空间分辨率（fUS:100um; fMRI:~500um），可分析脑部更多的细微区域。
图1. 采用fUS技术研究雪貂听觉皮层，得到响应不同频率声波刺激的3D拓扑图，可以看到，得益于fUS技术的高空间分辨率，能够在很小的皮层区域内观察到多样化的响应模式及其分布。
fUS技术同时具有远高于fMRI的时间分辨率（fUS:10ms; fMRI:~0.5sec），利用这种超高的时间分辨率能够追踪到大脑中信号传递的方向和速度。
图2. 一项在非人灵长类上进行的视觉任务的研究中，fUS成像显示在SEF和ACC脑区，神经信号从皮层表层向深层传播。
fUS具有更高的信噪比。
fUS直接检测脑血流，相比fMRI的BOLD信号，与神经活动的相关性更好。此外，fUS由于具有高达kHz级的采样率，可以精准有效地过滤心跳呼吸等生理活动噪音，因而具有很高的信噪比。不同于fMRI通常需要大量重复的trial来获取平均数据，fUS 可以仅通过几个trial甚至单个trial捕捉到与神经活动相关的信息。
fUS信号的高灵敏度和高精度所带来的好处包括：
1. 无需大量重复trial，大大提高实验效率；
2. 减小了数据处理的复杂性；
3. 能够研究一些一过性的现象，如癫痫发作（图4）；
4. 适合于开发更复杂的实验范式，比如包含实时反馈环路等。
图3. fUS技术在癫痫研究中的应用，数据结果显示了癫痫发起与传播的情况。
技术优势二：可在自由活动的动物上成像
fUS的探头设计轻巧，即使小鼠也可以轻松佩戴，自由活动。此外，可以根据实验需要灵活地在麻醉的、运动中的、头部固定的动物上使用，适用于几乎全部常用的实验动物，包括小鼠、大鼠、鸟类、兔子、雪貂、非人灵长类等。
在小鼠、幼年大鼠等小型实验动物上，探头信号可以直接穿透颅骨进行观察，对于更大的动物，也可采用磨骨或人工颅骨来进行全脑成像，以降低手术的难度和周期，避免了对大脑的侵入性损伤。
图4. fUS探头的设计和在清醒活动小鼠上的使用情况
技术优势三：简单易用，兼容性高，价格及维护费用低
相比于fMRI实验技术的高门槛，fUS技术在信号记录和数据分析方面更为容易，初学者亦可很快上手使用：
记录时可即插即扫，小鼠甚至无需开颅手术；
软件内置3D小鼠脑图谱，可预置功能程序，实现数据实时分析；
内置脑区间的相关性分析功能，可自动图谱配准建立correlation matrix，呈现脑区间的功能连接（functional connectivity）（图6.）；
设备体积轻巧，无需专用的实验空间；
移动方便，可适用于更多实验场所。
不同于fMRI较难与常规的电生理、光遗传学、行为学检测等设备配合使用，必须定制昂贵的具有电磁兼容性的专业设备，fUS 可完全兼容常规设备，适应于复杂的实验设计。
此外，fUS的价格远低于昂贵的fMRI设备，且几乎不需要花太多的维护费用（fMRI需要定期填充昂贵的液氦，并且不能关机，耗电量巨大）。
应用领域
一、临床前脑功能成像
fUS技术的易用性、高敏感性、高兼容性，可用于自由活动动物等特点将大大拓展脑功能成像在临床前研究中的应用。可结合各种行为范式，电生理、光纤记录、光遗传等技术，开展行为或任务相关的脑功能研究，也可应用于各种神经或精神疾病相关动物模型、神经药理学研究、新药筛选、寻找新的疾病相关生物标记等等。
二、临床前脑血管成像
利用相同的设备和技术原理，可进行全脑的血管成像，在注射医用增强剂的条件下可达到10mm x 8mm的分辨率，在无增强剂的条件下可进行分辨率达100mm的3D及4D脑血管重构。因此这一新技术也适合于脑中风、脑出血、脑肿瘤及其它脑血管相关疾病的基础研究。
图6. 使用增强剂的脑血管成像
三、临床应用
fUS已经被尝试通过新生儿的囟门或脑外科手术时的颅骨窗得到高质量的实时脑功能成像，可应用于新生儿脑疾病诊断或研究，或在手术过程中进行实时脑功能检测以避免切除重要的功能区域。
学术向应用的转化
目前为止，fUS技术推出了商用化的机型ICONEUS，全球已有近40个研究所、大学，超过100个实验室正在使用这一技术，并发表了超过百篇包括Nature、Neuron、PNAS在内的高水准文章。
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以上文章来源于Leads神经影像与电生理 ，作者黄麻
