一種基于線性換能器陣列的混合顯微鏡（LiTA-HM）助力定位癲癇灶

本研究由劉良劍、徐志強(qiáng)、賴振杰等學(xué)者共同完成，論文題為《Photoacoustic and fluorescence hybrid microscope for cortex-wide imaging of neurovascular dynamics with subcellular resolution》，于2025年7月發(fā)表于《Science Advances》。

重要發(fā)現(xiàn)
01技術(shù)原理與成像性能
LiTA-HM通過創(chuàng)新性設(shè)計實現(xiàn)了光聲與熒光模態(tài)的無縫整合：

線性換能器陣列：8個微型高頻傳感器（中心頻率40 MHz）以特定間距排布，擴(kuò)展探測視場至6 mm。配合加權(quán)平均算法提升信噪比1.6倍，并通過圖像重建算法優(yōu)化血管結(jié)構(gòu)與血氧飽和度成像。

高速掃描系統(tǒng)：定制16面體多邊形掃描鏡實現(xiàn)1.3 kHz線掃描速率，結(jié)合4f光學(xué)系統(tǒng)與水浸物鏡，確保衍射極限分辨率（~6 μm）與大景深。

亞細(xì)胞分辨率：系統(tǒng)可分辨直徑<10 μm的毛細(xì)血管及單個神經(jīng)元胞體，并通過自動分割算法量化數(shù)千個神經(jīng)元與血管分支的動態(tài)。

麻醉刺激：神經(jīng)元活動與靜脈血氧飽和度呈負(fù)相關(guān)，不同皮層區(qū)域響應(yīng)延遲存在異質(zhì)性。

創(chuàng)新與亮點
01突破多模態(tài)成像技術(shù)瓶頸
LiTA-HM通過三大創(chuàng)新解決領(lǐng)域難題：
視場-分辨率矛盾：微型換能器陣列突破傳統(tǒng)光聲顯微鏡檢測范圍限制（>2 mm²），實現(xiàn)6×5 mm²大視場下亞細(xì)胞分辨率。

速度-靈敏度平衡：多邊形掃描鏡技術(shù)將成像速度提升至0.8秒/幀，比機(jī)械掃描系統(tǒng)快30倍以上，滿足神經(jīng)活動毫秒級動態(tài)捕捉需求。

多參數(shù)同步采集：光路共享設(shè)計確保PAM（血管結(jié)構(gòu)/血氧）與CFM（神經(jīng)元鈣信號）像素級對齊，避免后處理配準(zhǔn)誤差。

從結(jié)構(gòu)到機(jī)制：通過血流灌注強(qiáng)度、血管直徑、血氧飽和度與鈣瞬變的同步量化，揭示神經(jīng)活動與血氧代謝的因果時序關(guān)系（如缺氧中血管響應(yīng)先于神經(jīng)元11秒）。

從生理到病理：在癲癇模型中捕捉到擴(kuò)散波的血流導(dǎo)向特征，為臨床定位癲癇灶提供新思路——動脈短暫擴(kuò)張或成無創(chuàng)診斷生物標(biāo)志物。

總結(jié)與展望
LiTA-HM通過光路-聲路協(xié)同優(yōu)化，首次實現(xiàn)清醒哺乳動物全皮層神經(jīng)血管耦合的高時空分辨率解析。其線性換能器陣列與高速光學(xué)掃描設(shè)計，為活體多尺度腦研究樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)成功捕捉到缺氧、麻醉及癲癇事件中神經(jīng)活動與血流動力學(xué)的復(fù)雜耦合規(guī)律，尤其揭示了癲癇擴(kuò)散波的血流導(dǎo)向特征，為腦疾病機(jī)制研究提供全新視角。

未來工作將聚焦三方面：
技術(shù)升級：應(yīng)用透明換能器簡化光聲整合路徑，開發(fā)輪廓掃描解決皮層曲率成像限制。
機(jī)制探索：結(jié)合光遺傳學(xué)與特異性神經(jīng)元標(biāo)記技術(shù)，解析興奮/抑制性神經(jīng)元在NVC中的差異化作用。
疾病應(yīng)用：拓展至腦卒中、阿爾茨海默癥等神經(jīng)血管耦合異常疾病模型，推動精準(zhǔn)診療策略開發(fā)。

該技術(shù)的開放性與可拓展性，有望成為神經(jīng)科學(xué)、藥效評價及腦機(jī)接口研究的核心工具，助力解密大腦奧秘。

Liu L, Xu Z, Lai Z, Xu B, Wu T, Ma G, Zhang H, Li J, Ma W, Lei T, Li X, Guo Z, Song Z, Chen N, Ye S, Meng J, Lai P, Shen F, Chang J, Zhu Y, Zheng H, Zheng W, Liu C. Photoacoustic and fluorescence hybrid microscope for cortex-wide imaging of neurovascular dynamics with subcellular resolution. Sci Adv. 2025 Jul 25;11(30):eadw5275. 

DOI:10.1126/sciadv.adw5275.