Благодаря новым технологиям стало возможным визуализировать и оценить сосуды головного мозга, ранее остававшиеся скрытыми. Это позволит получить более глубокие знания о взаимосвязи между кровоснабжением мозга и его нейронной деятельностью. Врачи смогут раньше выявлять цереброваскулярные заболевания и разрабатывать более эффективные подходы к их лечению.
Ученые из Лаборатории физики для медицины в Париже (ESPCI Paris-PSL, Inserm, CNRS) провели детальную визуализацию сосудистой сети головного мозга человека, охватив беспрецедентный объем данных, как было заявлено в исследовании, опубликованном в журнале Nature Biomedical Engineering. Это стало возможным благодаря применению ультразвуковой локализационной микроскопии с высоким разрешением, сверхбыстрой сонографии и контрастных веществ.
Мозговые кровеносные сосуды формируют сложную систему, обеспечивающую нейроны кислородом и необходимыми веществами. Это указывает на тесную взаимосвязь сосудистой и нейрональной активности, а также подчеркивает, что нарушения в сосудах являются причиной многих неврологических заболеваний. Недостаточный уровень знаний о функциях мелких кровеносных сосудов и ограничения в методах цереброваскулярной визуализации затрудняют диагностику и лечение этих состояний.
На сегодняшний день компьютерная томографическая ангиография и магнитно-резонансная ангиография являются наиболее часто используемыми методами визуализации кровеносных сосудов. Эти методы позволяют получить изображения крупных артерий диаметром до нескольких десятых миллиметра, однако они не способны выявить более мелкие капилляры. Кроме того, ангиографические исследования не предоставляют данных о динамических изменениях в сосудистой сети, происходящих в различных масштабах.
Предлагаемое авторами нового исследования решение призвано устранить существующий пробел, поскольку оно позволяет получать динамические изображения кровотока во всей сосудистой сети — от крупных артерий до мельчайших капилляров. Кроме того, данная технология является неинвазивной, не использует ионизирующее излучение, отличается простотой и не потребует значительных финансовых затрат.
Команда Микаэля Тантера использовала ультраскоростную сонографию – неинвазивный метод исследования организма, основанный на использовании ультразвуковых волн, который позволяет получать тысячи изображений ежесекундно. Для улучшения визуализации были использованы контрастные вещества: внутривенно вводимые микропузырьки из биосовместимого газа циркулировали по всей сети кровеносных сосудов мозга. С помощью ультразвукового зонда, расположенного у виска пациента, была осуществлена визуализация этих микропузырьков. Определяя положение миллионов микропузырьков в течение нескольких секунд, ученые смогли воссоздать анатомическую структуру сосудистой сети с разрешением до 25 микрометров, а также получить данные о локальных изменениях скорости кровотока.
Изначально метод был протестирован на небольших лабораторных животных еще в 2015 году, однако получение изображений мозга взрослого человека оставалось невозможным. Сложность заключалась в том, что ультразвуковой сигнал искажается при прохождении через череп, что негативно сказывается на качестве изображения. Кроме того, требовалось создание алгоритмов компенсации движения, поскольку любое смещение в мозге мешает точной локализации микропузырька с точностью до микрона.
«Благодаря комплексному применению нескольких подходов стала возможной эта «мировая премьера», показанная публике. Одним из них является сверхбыстрая визуализация, обеспечивающая получение большого объема информации за минимальное время, что позволяет выявлять акустическую сигнатуру каждого отдельного микропузырька. Локализация ультразвука устранила ограничение разрешения, при котором изображение микроскопического объекта представляется в виде размытого пятна, большего, чем сам объект. Однако, если этот объект изолирован, его точное местоположение можно с высокой степенью уверенности определить как центр данного пятна. В рассматриваемом исследовании микропузырьки, циркулирующие в кровотоке, выступают в роли таких изолированных объектов, что позволяет восстановить точное расположение каждого кровеносного сосуда. Использование регистрации эха микропузырьков предоставило возможность получить доступ к волне, исходящей от объекта микронных размеров, и, как следствие, восстановить информацию о процессах, происходящих во время распространения волны через череп, с целью устранения возникающих искажений. Об этом сообщил Чарли Демене, ведущий автор исследования.
Разработанная технология позволила ученым зафиксировать даже незначительные изменения в кровотоке в области аневризмы, которая располагалась в глубине мозга пациента. Усовершенствованные методы визуализации сосудов открывают возможности для более глубокого изучения и диагностики цереброваскулярных заболеваний, например, инсульта, а также нейродегенеративных расстройств.
Помимо прочего, ультразвуковая локализационная микроскопия отличается простотой использования для врачей, экономической целесообразностью и компактностью – процедура может быть выполнена непосредственно у постели пациента.