EVIDENT助力西湖大学贾洁敏团队开发高时空分辨率血管动力学分析算法

科技前沿与学科交叉| 浙江省西湖大学贾洁敏研究团队开发了一项高时空分辨率的血管动力学分析算法全面系统地描绘脑血管运动本文作者：西湖大学生命科学学院特聘副教授贾洁敏研究团队浙江省西湖大学生命科学学院2024年5月31日，浙江省西湖大学生命科学学院特聘副教授贾洁敏研究团队在国际脑血流与代谢国际学会权威官方期刊Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism发表了题为"High-resolution vasomotion analysis reveals novel arteriole physiological features and progressive modulation of cerebral vascular networks by stroke"的论文,该研究针对当前血管动力学领域内血管运动量化方法稀缺的现状，以双光子活体血管显微成像技术为主要研究工具，提出了系统的血管动力学综合分析方法。通过这项新方法，贾洁敏团队发现了脑血管两侧血管壁的不对称运动，验证了各种麻醉剂对小鼠血管运动的影响，确定了不同直径等级的动脉血管运动特征，计算了平滑肌细胞中钙离子浓度增加导致动脉收缩的具体延迟时间等。此外，团队成员还追踪研究了中风对动脉血管运动的持续性打击。贾洁敏团队的研究结果加深了对血管运动的理解，对脑血管网络和缺血性卒中特征的研究具有直接意义。自发血管运动（Spontaneous Vasomotion）表示血管平滑肌细胞节律性的自发收缩与舒张，会进一步引起血管壁振动，并影响血流量和组织的血液与营养物质供应。它是独立于心脏跳动、神经支配或呼吸的血管壁张力的自发振荡。自发血管运动最早于1852年由Thomas在蝙蝠翅膀上被首次观察到，而自发脑血管运动（Spontaneous cerebral vasomotion）于1981年由Auer在猫脑膜动脉上被首次观察到，而对于自发血管运动产生的完整机制和生理重要性至今仍未明确阐明。一方面是由于21世纪前高时空分辨率活体成像设备的缺乏，自发血管的图像信息难以准确提取；而近年来双光子活体显微成像技术的问世克服了这一困难，这项技术成功提取了高时空分辨率的血管图像，但受限于没有全面系统的自发血管运动的分析方法，其研究仅仅停留在浅层的血管运动现象阐述。基于此，生命科学学院的贾洁敏团队花费了近2年的时间成功实现血管动力学分析方法的从无到有，这项血管动力学分析方法集成了多种算法，包括血管直径与半径计算、频谱分析、基线平滑、异常值检测、动态时间规划、滑动交叉相关分析等，从九个角度全面刻画脑血管运动。这项新方法不仅描述了生理状况下小鼠脑动脉血管运动的基本特征，还实时追踪分析（0-14天）缺血性中风条件下小鼠脑动脉血管运动。图1. 血管动力学分析方法流程图在此项研究中，贾洁敏团队首先从脑自发血管运动的运行机制出发，验证了动脉血管上平滑肌细胞内的钙离子振荡是动脉血管发生收缩舒张的基础，在中风前观察到小鼠脑血管上的平滑肌细胞内钙离子的节律振荡，在小鼠大脑中动脉阻断（Middle Cerebral Artery Occlusion）2h模型建立期间，贾洁敏团队观察到小鼠脑内发生多次扩散性去极化现象（Spreading depolarization），伴随着平滑肌细胞内钙离子平衡严重失调，而后小鼠的脑血管自发运动随着扩散去极化现象的多次发生遭遇累计损害，在小鼠大脑中动脉阻断2h后的再灌注期间，平滑肌细胞内的钙振荡和脑血管自发血管运动遭遇持续损伤，并在再灌注14后仍未得到彻底恢复。综上，通过严谨的实验和缜密的数据分析方法，贾洁敏团队针对当前血管动力学领域内血管运动量化方法稀缺的现状，提出了全面且系统的血管动力学分析方法，进一步地，证明了脑动脉血管自发运动在脑血流调节尤其是缺血性中风后改善无血流现象存在极大价值。这些研究结果为大家理解大脑血管动力学机制提供了新的角度，并为探索脑卒中的治疗策略开辟了一条崭新的方向。图2. 缺血性中风条件下小鼠脑动脉血管运动特征的变化情况文章中，小鼠的活体脑血管显微成像与血管平滑肌细胞GCaMP6s标记的钙信号成像均采用Evident双光子显微镜FVMPE-RS进行屏扫和线扫的图像采集。FVMPE-RS特殊的光路设计、大空间的龙门架机型以及深焦模式，配合高时间和空间的成像分辨率，非常适合于小鼠等活体动物各个部位的深层成像，还可以搭配跑步机实现活体动物的清醒成像。FVMPE-RS性能优越简单易用，是科研人员进行活体成像研究的利器。图3. Evident双光子显微镜FVMPE-RS而FV4000MPE作为EVIDENT 全新的第五代双光子系统，继续突破创新。FV4000MPE采用了专利的SiLVIR检测器，其成像速度、成像视野、图像动态范围以及信噪比等方面，与FVMPE-RS相比都有了进一步的提升。图4 FV4000MPE解决方案西湖大学生命科学学院特聘副教授贾洁敏为本文的通讯作者，西湖大学2021级博士生张益溢，助理研究员李金泽以及西湖大学2021级博士生谢蕙祺为本文共同第一作者。助理研究员李金泽与谢蕙祺博士在脑血管的双光子数据图像采集上均做出了重要贡献，贾洁敏团队的其他成员都在课题开展期间提出了宝贵的意见与建议。西湖大学的办学定位关键在于九个字——小而精、高起点、研究型，其中研究型重点指学科交叉。这篇文章正是学科交叉的结晶，西湖大学2021级博士生张益溢的硕士专业为光学工程，正是因为他在硕士期间学习掌握的光学成像知识以及夯实的算法基础，帮助他在贾洁敏团队发光发热，使他与助理研究员李金泽的课题合作相得益彰。张益溢与李金泽二人在学科交叉的火花中互帮互助，汲取精华，最终在贾洁敏导师的悉心指导下收获这一丰厚果实。