Сосудистую сеть человеческого мозга впервые показали в микроскопическом масштабе

Сотрудники Лаборатории физики для медицины в Париже (ESPCI Paris-PSL, Inserm, CNRS) добились картирования сосудистой сети головного мозга человека в беспрецедентных масштабах, сообщается в исследовании, опубликованном в журнале Nature Biomedical Engineering. Это стало возможно благодаря ультразвуковой локализационной микроскопии сверхвысокого разрешения, а также сверхбыстрой сонографии и использованию контрастных веществ. 

Кровеносные сосуды мозга — чрезвычайно сложная сеть, которая снабжает нейроны кислородом и питательными веществами. Из этого следует, что сосудистая и нейрональная активность тесно связаны, а нарушения в сосудах считаются основной причиной многих неврологических расстройств. Диагностика и лечение этих заболеваний усложняются нехваткой знаний о функциях мелких кровеносных сосудов и ограничениями в цереброваскулярной визуализации. 

Компьютерная томографическая ангиография и магнитно-резонансная ангиография — два самых распространенных на сегодня метода получения изображения кровеносных сосудов. Они охватывают крупные артерии, достигающие в диаметре несколько десятых миллиметра, но не могут обнаружить более мелкие капилляры. К тому же ангиографии не предоставляют динамической информации о сосудистой сети в различных пространственных масштабах. 

Решение, предложенное авторами нового исследования, должно восполнить этот пробел, ведь оно предлагает динамические изображения потоков крови всей сосудистой сети — от более крупных артерий до мелких капилляров. К тому же эта технология неинвазивная, неионизирующая, простая и не потребует серьезных финансовых вложений.

Команда Микаэля Тантера применила сверхбыструю сонографию — неинвазивное исследование организма с помощью ультразвуковых волн, позволяющее получать тысячи изображений в секунду. Затем в ход пошли контрастные вещества: в итоге микропузырьки из биосовместимого газа, вводимые внутривенно, циркулировали по всей сосудистой сети мозга. Их визуализировали посредством ультразвукового зонда, помещенного напротив головы пациента, у виска. Определяя положение миллионов микропузырьков в течение нескольких секунд, ученые смогли восстановить анатомию сосудистой сети вплоть до масштаба в 25 микрометров, собирая при этом информацию о локальных динамических компонентах кровотока. 

Метод опробовали на мелких лабораторных животных еще в 2015 году, но сделать изображения мозга взрослого человека не удавалось. Проблема была в том, что, во-первых, ультразвуковой сигнал искажается при прохождении через череп, приводя к ухудшению качества изображения. Во-вторых, нужно было разработать алгоритмы коррекции движения, поскольку любое малейшее движение в мозге препятствует возможности локализации микропузырька с точностью до микрона. 

«Эта “мировая премьера” на людях стала возможной благодаря совместной реализации нескольких методов. Первый — сверхбыстрая визуализация, которая обеспечивает огромное количество данных за очень короткий промежуток времени и позволяет различать акустическую сигнатуру каждого отдельного микропузырька. Затем локализация ультразвука сняла предел разрешения, когда изображение крошечного объекта представляет собой размытое пятно — большее, чем реальный объект. Но если этот объект изолирован, можно разумно предположить, что его точное местоположение — центр размытого пятна. В нашем случае микропузырьки, циркулирующие в кровотоке, играют роль изолированных объектов и позволяют восстановить точное расположение каждого кровеносного сосуда. Наконец, регистрация эха микропузырьков предоставило доступ к волне, исходящей от объекта микронных размеров, и, следовательно, позволило восстановить то, что произошло во время распространения волны сквозь череп, чтобы исправить возникающие возмущения», — рассказал Чарли Демене, ведущий автор исследования.

Благодаря своей разработке ученые уже смогли зафиксировать мельчайшие детали турбулентного кровотока в области аневризмы, расположенной в глубине в середине мозга одного из пациентов. Новые возможности визуализации сосудов открывают путь для лучшего понимания и диагностики цереброваскулярных заболеваний, таких как инсульт, а также нейродегенеративных болезней.

Вдобавок ко всему вышесказанному стоит отметить, что ультразвуковая локализационная микроскопия более проста в использовании клиницистами по сравнению с существующими методами, более рентабельна и менее громоздка — процедуру можно проводить прямо около постели пациента.