超越生命：探索死后小鼠大脑的血液动力学模式

近年来，LSCI（激光散斑血流成像技术）作为一种脑功能绘图方法在神经生物学领域崭露头角。这种方法基于对斑点模式模糊效应的分析。当物理上不均匀的表面被相干光照射时，光电探测器可以收集到相干光干涉产生的大量斑点信息。如果表面扫描和光电探测器的特性能提供足够的速度，这种方法就能描绘出图像中每个点的大脑功能特征。在生物和医学研究中，通常会使用远红外或近红外激光，这样光子可以更深地穿透皮层组织。

在本次研究中，来自芬兰的科研团队使用了LSCI激光散斑血流成像系统，它是是一种便携、高效的无创成像技术，被广泛用于监测血液灌注的功能和形态变化，以及体内大脑、肿瘤和皮肤组织的相对血流变化。

LSCI激光散斑血流成像图像的时间序列显示了大脑表面血流空间分布的时间变化，如图1第1行所示。使用FFT对这些图像进行分解，可以捕捉到动物死亡后血流和微循环振荡的衰减，如图1第2行所示。

考虑到记录的LSCI激光散斑血流成像图像集的非稳态性质及其统计特性随时间的变化，来自芬兰的科研团队应用CWT来研究显示整个脑表面空间和/或时间同步的脑血流动力学模式的出现（见图1第3行）。此外，我们还采用NMF对LSCI图像进行分割，这有助于在不同的、划界的微观结构模式中识别可解释的关系，以便进行功能评估，详见图1第4行。

图1. 在心脏骤停后的不同时间间隔，分别通过 LSCI（第一行）、FFT（第二行）、CWT（第三行）和 NMF（第四行）获得的小鼠大脑彩色编码图像。视频 S1 显示了 LSCI、FFT、CWT 和 NMF 的完整时间序列。时间间隔是根据下文讨论的 NMF 分量分析选定的。

为了有效描述死后脑血流动力学特征并划分其特征，我们选择了四个NMF成分，在稳定性和准确性之间取得了平衡。这些成分代表了脑血液微循环中微结构差异的独特模式，对它们的时间分析为了解血液动力学定位在空间和时间上的复杂性和异质性提供了深刻的见解。因此，NMF方法有助于识别不同的微结构成分，加深我们对特定皮层区域血液动力学模式形成及其功能影响的理解。图2显示了这四种NMF成分的彩色编码表示及其随时间的综合加权空间分布。

图2. (A) LSCI图像的时间序列和四个NMF分量（分别为红色、绿色、蓝色和灰色）的相应彩色编码图像；(B) 四个彩色编码NMF分量的合并图像。视频 S1d 显示了合并后的四个 NMF 分量的空间分布动态;（C）NMF 分量在合并分布中的加权贡献随时间变化的情况；显示了氧饱和度(SpO2) 指右轴的相应值。(D) 相应的小鼠大脑神经元活动主要区域图:  A: 听觉皮层; M: 运动皮层; OB: 嗅球；SS：躯体感觉皮层; V: 视觉皮层。比例尺为 1 mm。

小鼠死后获得的LSCI激光散斑血流成像图像的时间序列以及使用FFT、CWT和NMF处理的图像显示，脑血流的分布高度非均质，具有明显的空间和时间血流动力学定位（见图1和图2，以及相关视频S1）。以往的研究表明，血流动力学变化与神经活动（也称为神经血管耦合）之间存在密切的空间关系，与此相一致的是，已确定的脑血流和血液微循环定位与已确认的解剖模板和相应的神经解剖域进行了比较。

视频S1

通过LSCI、FFT、CWT和NMF得出的结果（见图1和图2，以及视频S1）清楚地显示了嗅球的主要血流定位。此外，在上矢状窦的帮助下，还观察到死后收缩期微血流定位在躯体感觉区和视觉皮层区之间连续交替移动。除了FFT和CWT得出的结果（见图1和视频S1）外，NMF还能识别结构子组件的时间变化，这些结构子组件表现出连贯的演变，而不受解剖学划分的限制（见图2和视频S1）。