Как ИИ изменит нашу жизнь — в специальном проекте Naked Science!
Перейти
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26.08.2021
Сколтех
1 758

Разработан новый метод визуализации сосудов головного мозга

4.5

Ученые Сколковского института науки и технологий и Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского разработали новый, экономичный метод для визуализации кровотока в сосудах головного мозга. Точность метода настолько высока, что позволяет реконструировать карту сосудов по движению отдельных эритроцитов, причем без использования токсичных красителей и дорогостоящей генной инженерии.

Распределение скорости эритроцитов. Измерения и построение карты скоростей выполнены при помощи нового метода разработки Сколтеха и СГУ. Каждая стрелка соответствует одной клетке. Цветом показаны скорости эритроцитов: низкая (синий), средняя (зеленый), высокая (красный) / ©Максим Курочкин / Сколтех

Результаты исследования опубликованы в издании The European Physical Journal Plus. Чтобы лучше понять, как устроено кровоснабжение головного мозга, исследователи картируют сети кровеносных сосудов. Для этого используются различные методы визуализации, в том числе высокоточный метод, основанный на регистрации инфракрасного излучения с введением в кровоток флуоресцентных красителей.

К сожалению, красители токсичны и вдобавок способны вызывать изменения в сосудах, что делает изображения менее достоверными. В качестве альтернативы можно использовать генетически модифицированных животных, у которых внутренняя оболочка кровеносных сосудов изменена таким образом, что она излучает свет сама по себе. Однако оба этих метода чрезвычайно дороги.

Исследователи Сколтеха и СГУ разработали новый, недорогой метод визуализации, позволяющий различать даже мельчайшие капилляры головного мозга. Метод основан на сочетании оптической микроскопии и обработки изображений и не требует использования красителей.

Реконструированная карта кровеносных сетей эмбриона цыпленка, полученная методом адаптивной покадровой пороговой фильтрации серии изображений движущихся эритроцитов / ©Максим Курочкин / Сколтех

Благодаря высокой точности, он позволяет обнаружить все до единого эритроциты, движущиеся по кровеносным сосудам. В этом его основное преимущество перед другими методами, в том числе не использующими красители, ведь в капиллярах не так уж много эритроцитов и при визуализации каждый из них на счету.

«В нашем методе для обработки изображений головного мозга, полученных с помощью стандартного оптического микроскопа, используется покадровая фильтрация. Технология позволяет различать отдельные движущиеся эритроциты и получать детальные изображения сети кровеносных сосудов головного мозга вплоть до мельчайших капилляров, что в свою очередь обеспечивает точную оценку скорости кровотока методом цифровой трассерной визуализации потоков», — рассказывает ведущий автор исследования, научный сотрудник Сколтеха Максим Курочкин.

Для демонстрации работоспособности метода ученые использовали две биологические модели: мозг мыши и эмбрион курицы. Сначала коллектив показал на примере кровеносных сетей куриного эмбриона возможность картирования мельчайших капилляров, в которых движение эритроцитов может быть непостоянно.

Затем метод апробировали на более сложной модели — сосудах головного мозга крысы. Оказалось, что даже в системах с более труднодоступными сосудами, где не видно движение отдельных эритроцитов, а видны лишь цветовые паттерны, которые можно скорее связать с группами сосудов, тем не менее возможно картировать кровеносные сети.

Почему так важно иметь детальную модель кровотока? Предложенный учеными метод позволяет напрямую получать две важные характеристики кровеносной системы — скорость кровотока и диаметр сосуда. «Благодаря этим данным мы можем попытаться извлечь дополнительную информацию, например, об эластичности сосудов, жесткости мембран, давлении и вязкости крови, — поясняет Курочкин.

— Эти параметры могут использоваться физиологами для построения моделей кровообращения, работу которых можно проверять, например, на данных измерений, полученных от датчиков давления и вязкости». В перспективе полученные результаты позволят лучше понять физиологию эндотелиальных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность кровеносных сосудов. А состояние эндотелия является физиологической основой всех сердечно-сосудистых заболеваний (которые занимают первое место по уровню смертности в мире). Через состояние эндотелия можно определить физическую природу конкретной патологии как в головном мозге, так и в других частях организма.

Например, главная причина геморрагического инсульта — истончение и разрыв стенок кровеносных сосудов головного мозга. При чрезмерном истончении или растяжении образуется выпячивание стенки сосуда, известное как аневризма. «Точная модель сосудистой сети может показать критический уровень истончения стенки сосуда, при котором происходит ее разрыв», — добавляет Курочкин.

Образование бляшек на внутренней поверхности артерий приводит к сужению просвета сосуда и в конечном итоге к развитию ишемической болезни сердца, а отрыв бляшки ведет к закупорке сосуда и остановке кровотока, что является причиной инфарктов и инсультов. «С помощью модели сосудистой сети можно прогнозировать перераспределение кровотока, обусловленное расширением, сужением или закупоркой сосудов», — отмечает ученый.

Состояние кровеносных сосудов актуально и для изучения заболеваний другой природы. В частности, с помощью нового метода визуализации можно исследовать опухоли, которые поглощают аномально много питательных веществ и потому обрастают кровеносными сосудами.

Малярия имеет инфекционную природу, но сопровождается повышением вязкости крови, чем обусловлен потенциал картирования сосудов при изучении и этой болезни. Наконец, новый метод визуализации можно применять для изучения процесса регенерации кровеносных сосудов в ткани на месте механического повреждения, например медицинского прокола.

«Понимание поведения объектов, попавших в кровоток, имеет значение не только применительно к оторвавшимся атеросклеротическим бляшкам, но и к другим объектам, в том числе искусственным. Например, для адресной доставке лекарств используются микрокапсулы, которые вводятся в кровоток, и модели кровеносных сетей незаменимы для понимания того, что с этими микрокапсулами произойдет и как они себя поведут», — отмечает в заключение Курочкин.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
26 ноября
Александра Медведева

Окаменелость крошечного морского червя, жившего 525 миллионов лет назад, разрешила вековой спор об эволюции мозга членистоногих. Исследование показало, что мозг первых членистоногих не был сегментирован, а нервная система головы и туловища эволюционировала независимо.

Позавчера, 14:24
Василий Парфенов

Что такое накопитель энергии? Чем отличается аккумулятор от батареи? В чем настоящее чудо электричества? Вся эволюция человечества тесно связана с нашим умением добывать энергию в разных формах. Но настоящая революция произошла, когда появились технологии преобразования тепла, давления и работы в электричество. Благодаря этому мы научились транспортировать энергию и запасать ее. Дальнейший рост эффективности энергосистем невозможен без накопителей. Naked Science решил разобраться во всех деталях.

Вчера, 18:46
Анна Новиковская

В течение 55 лет никто не исследовал часть космоса, где мог зародиться сигнал «Wow!», который некоторые астрономы считают посланием инопланетной цивилизации. Теперь международная группа исследователей провела двойное телескопирование области, откуда, вероятнее всего, этот сигнал пришел, но не нашла там ничего достойного внимания.

26 ноября
Александра Медведева

Окаменелость крошечного морского червя, жившего 525 миллионов лет назад, разрешила вековой спор об эволюции мозга членистоногих. Исследование показало, что мозг первых членистоногих не был сегментирован, а нервная система головы и туловища эволюционировала независимо.

26 ноября
Мария Азарова

Международный коллектив ученых спрогнозировал наши ежедневные потребности в воде в зависимости от антропометрических, экономических и экологических факторов.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

1 ноября
Анна Новиковская

Когда мы представляем взаимодействие неандертальцев с нашими предками, первобытными людьми, то обычно думаем об агрессивных стычках и конкуренции на охоте. Однако теперь ученые выяснили, что два вида людей взаимодействовали на протяжении как минимум 200 тысяч лет — это слишком долгий срок для активных военных действий, но достаточный для постепенного «растворения» одного вида в другом.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: