Imaging 3D dinamico del flusso sanguigno cerebrale in topi svegli che utilizzano self

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 298 (2023) Citare questo articolo

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Il flusso sanguigno cerebrale (CBF) è ampiamente utilizzato per valutare la funzione cerebrale. Tuttavia, la maggior parte degli studi preclinici sul CBF sono stati eseguiti in anestesia, il che confonde i risultati. L'imaging CBF ad alta risoluzione spaziotemporale di animali svegli è impegnativo a causa degli artefatti di movimento e del rumore di fondo, in particolare per l'imaging a flusso basato su Doppler. Qui, riportiamo la tomografia Doppler a coerenza ottica ad altissima risoluzione (μODT) per l'imaging 3D delle dinamiche della velocità CBF (CBFv) nei topi svegli sviluppando un apprendimento profondo auto-supervisionato per un efficace denoising dell'immagine e rimozione degli artefatti da movimento. Confrontiamo il CBFv corticale nei topi svegli rispetto a quelli anestetizzati e le loro risposte dinamiche nelle reti arteriolari, venulari e capillari alla cocaina acuta (1 mg/kg, iv), un farmaco ad alta dipendenza associato a tossicità neurovascolare. Rispetto alla veglia, l'isoflurano (2-2,5%) induce vasodilatazione e aumenta il CBFv entro 2-4 minuti, mentre la dexmedetomidina (0,025 mg/kg, ip) non modifica il diametro dei vasi né il flusso. La cocaina acuta diminuisce il CBFv nella stessa misura nella dexmedetomidina e negli stati di veglia, mentre le diminuzioni sono maggiori sotto isoflurano, suggerendo che la vasodilatazione indotta da isoflurano potrebbe aver facilitato il rilevamento della vasocostrizione indotta dalla cocaina. Topi svegli dopo uso cronico di cocaina mostrano una grave vasocostrizione, diminuzioni di CBFv e adattamenti vascolari con vasi arteriolari/venulari immersi estesi che danno priorità all'apporto di sangue ai capillari corticali più profondi. La piattaforma di imaging 3D che presentiamo fornisce un potente strumento per studiare i cambiamenti dinamici nei diametri e nella morfologia dei vasi insieme alle reti CBFv nel cervello di animali svegli che possono far progredire la nostra comprensione degli effetti dei farmaci e delle condizioni patologiche (ischemia, tumori, guarigione delle ferite).

Il flusso sanguigno cerebrale (CBF) è fondamentale per mantenere l'apporto energetico necessario per supportare l'attività sinaptica attraverso l'accoppiamento neurovascolare. Pertanto, il CBF insieme ad altre misure emodinamiche è stato utilizzato per collegare i segnali dipendenti dal livello di ossigenazione del sangue (BOLD) della MRI funzionale (fMRI) all'attività a livello cellulare di neuroni e astrociti1,2. Tuttavia, le attuali tecniche per l'imaging cerebrovascolare in vivo di animali da esperimento sono ostacolate principalmente dal compromesso tra profondità di imaging e risoluzione spaziotemporale. Questi includono fMRI ad alto campo con risoluzione del singolo vaso fino alle arteriole e alle venule e risoluzione temporale rapida per risolvere il volume del sangue cerebrale (CBV) e i cambiamenti BOLD provocati dall'attivazione cerebrale3, microscopia a ultrasuoni basata su microbolle per l'imaging vascolare profondo transcranico con una risoluzione vicina a quella capillare e rilevamento rapido della velocità dei globuli rossi (vRBC)4 e imaging a fluorescenza nel vicino infrarosso a lunghezza d'onda lunga (NIR-II, ad es. >1 µm) per la visualizzazione del microcircolo con profondità di penetrazione estesa oltre 3 mm a seconda della risoluzione spaziale e sensibilità5,6. La microscopia fotoacustica (PAM) consente l'imaging microvascolare 3D senza etichetta dei letti capillari e la mappatura degli stati di ossigenazione dell'emoglobina in questi vasi nella corteccia del topo fino a ~ 0,8 mm di profondità7. La microscopia a fluorescenza multifotone è in grado di offrire un'eccezionale risoluzione spaziale e contrasto dell'immagine per risolvere reti capillari 3D a una profondità di 1,6 mm nella corteccia del topo e misurare vRBC contando i globuli rossi (flusso) colorati in modo fluorescente che fluiscono attraverso un capillare8,9,10. L'angiografia a coerenza ottica ad altissima risoluzione (μOCA) e la tomografia Doppler (μODT) presentano vantaggi per l'imaging 3D della microvascolarizzazione e delle reti di velocità CBF (CBFv) con risoluzione capillare, in maggiori dettagli (ad esempio, reti di flusso arteriolare, venulare e capillare) e a profondità di 1,2–1,6 mm dalla superficie della corteccia del topo11,12,13,14. µODT ha anche dimostrato sensibilità e risoluzione nel catturare la risposta della rete microcircolatoria CBFv a un'interruzione laser di un'arteriola o di un capillare e nel rilevare la microischemia corticale indotta dalla cocaina, l'interruzione vascolare, la neoangiogenesi e l'adattamento, il tutto reso possibile sia dal suo campo relativamente ampio di vista e alta risoluzione spaziotemporale15,16,17.