Sci. Rep.：OCTA毛细血管测速法揭示毛细血管流量变化

模型研究表明，功能性充血期间毛细血管通过时间不均匀性（CTTH）的减少，这对脑氧合作用非常关键。华盛顿大学研究人员Yuandong Li等使用光学相干断层扫描血管造影（OCTA）毛细血管测速法，体内探测了啮齿动物模型脑毛细血管床的血流动力学，并验证了功能性激活期间CTTH的变化。通过评估电刺激下后爪组织内数千个毛细血管的血流动力学及随后的通过时间参数，发现后肢体感皮层（HLS1）中毛细血管平均通过时间（MTT）（9.8%±2.2）和CTTH（5.9%±1.4）均减少。此外HLS1与未激活的皮层区域间，毛细血管流动模式的改变有显著差异（p< 0.05）。这些定量发现揭示了功能性激活期间存在局部微循环调整，与以前的研究一致，支持毛细血管流量均匀化对脑氧合有重要贡献。也证明了OCTA测速法的有用性，可以结合动物模型成像体内微循环动力学，更全面地了解血液动力学-代谢耦合。文章以“Capillary flow homogenization during functionalactivation revealed by optical coherence tomography angiography based capillaryvelocimetry”为题发表于Scientific Reports。

背景

正常的大脑功能依赖血流调节氧气供应，以满足活跃变化的代谢需求。通过使用功能性磁共振成像（fMRI），对神经元活动和脑血流（CBF）之间的时空关系，即神经血管耦合，已经有了一定研究。具体而言，通过fMRI观察到神经血管耦合过程中的血液动力学反应，如局部CBF增加超过脑氧代谢率（CMRO₂），导致脑组织中脱氧血红蛋白浓度降低，产生的血氧水平依赖（BOLD）信号对比度可用于功能性脑成像。目前对这种流量-代谢耦合的理解尚不完整，特别是与相对增加的CMRO₂相比，CBF的升高不成比例，表明在耗氧量和充血程度之间的非线性耦合中，还有其他因素参与。

Jespersen和Østergaard重新研究了氧的流动扩散函数，结合考虑红细胞穿越毛细血管床时间的不均匀分布，评估脑组织中的氧提取。模拟了CBF和毛细管通过时间不均匀性（CTTH）对最大氧提取分数（OEF^max）的综合影响。该理论模型（图1）中，血流动力学对OEF^max的贡献由血管平均通过时间（MTT）和CTTH确定，其中根据中心体积理论MTT与CBF成反比，CTTH被量化为红细胞通过时间分布的标准偏差。功能激活期间，由于初始CBF增加导致的OEF固有减少被CTT的均匀化抵消，即CTTH降低，这将确保了在随后（或同时）的充血发作期间有足够的氧合，以满足激活组织床中增加的氧代谢需求。该模型为功能性激活中CBF不成比例的增加提供了生物物理支持，并为神经血管耦合中毛细血管流量调整的定量表征建立了一个框架。

对当前的显微神经成像技术来讲，体内成像毛细血管流动动力学以及验证CTTH假说仍很具挑战性。已有研究使用高分辨率双光子显微术（TPM）或共聚焦激光扫描荧光显微术等团注追踪技术，评估了啮齿动物大脑中的MTT和CTTH。但不能对单个毛细血管中的红细胞进行直接成像，因此无法获得毛细血管床中红细胞通过时间的空间分布以进行准确的CTTH评估。使用TPM的单线扫描测速仪可直接测量单个毛细管中的红细胞速度，但该技术数据采集速度过慢（几小时），且采集的样本量不足以用于分析（< 100个毛细血管）。光学相干断层扫描血管造影术（OCTA）能够对脑动脉和静脉中的血流进行三维定量成像、可视化毛细血管水平的微血管，可弥补线扫描TPM的局限性。但当前OCTA技术的统计能力还不足以准确表征毛细血管的流速。Lee等人开发并应用统计强度变异分析，结合OCTA，在约1s内跟踪了数百个毛细血管中红细胞流量的变化，揭示了大鼠前爪受电刺激期间，体感皮层中的毛细血管流量均匀化，证明基于OCTA的技术在研究神经激活期间的微循环动力学方面具有很大潜力。

本文作者在OCTA的基础上发展了一种特征分解（eigen-decomposition, ED）分析的统计方法，从高速OCT扫描产生的相干光信号中提取动态毛细流动的频率分量。初步结果表明，单个毛细管中测得的平均频率和平均红细胞速度之间存在线性关系。该方法已成功用于定量小鼠的毛细血管流量参数，通过在一个具有50 μs时间分辨率的体积式数据集中测量数千个毛细血管，揭示了缺血性卒中损伤前后小鼠体感皮层的MTT和CTTH差异。

本文将这种新颖的ED分析方法与OCTA相结合，研究了刺激诱发皮层激活过程中微循环发生的调整。结合激光散斑对比成像（LSCI）获得的氧合图，基于氧消耗对激活和非激活皮层进行了OCTA测速扫描，并首次将毛细血管流量响应与氧代谢信号相关联。旨在利用统计学，通过OCTA数据在体内验证先前建模研究中提出的结论，即功能性充血期间局部CTTH减少。

图1研究CTTH对脑氧合影响的Jespersen&Østergaard模型示意图。上方指功能激活期间神经血管耦合中的动脉张力调节，表现为功能性充血，可见CBF过度增加（相对于CMRO²的增加）。下方代表功能激活期间的微循环调整，包括毛细血管血流均匀化。本研究中，毛细血管流动动力学用γ函数h(τ)中毛细管通过时间τ的分布建模，其中MTT由γ函数的平均值α β确定，CTTH由标准偏差β确定。由单个毛细管贡献Q(τ)通过分布h(τ)加权计算整个毛细管床的OEF。在皮质激活期间，假设根据中心体积理论，CBV'=CBF · MTT是恒定的，由于MTT减少而导致的OEF固有减少必须伴有CTTH减少（毛细血管均化），以确保足够的氧合水平，从而在功能性充血期间达到OEF^max。

结果

01-后爪电刺激时HLS1的激活
首先确定颅窗和包括前肢（FLS1）和后肢（HLS1）在内的小鼠初级体感皮层之间的空间关系（图2a）。为精确定位HLS1，在静息（图2b）和后爪电刺激（图2c）期间，在颅窗处进行LSCI成像。在刺激过程中观察到局部脱氧血红蛋白（ΔHb）升高，表明在HLS1处氧气利用率增加（在图2c中显示为较暖的颜色）。氧合图验证了HLS1处刺激诱发了激活，并可用于指导后续实验研究毛细血管流动模式局部变化。
 

图2通过LSCI揭示的氧合图。（a）光镜图像，示出颅窗、FLS1和HLS1的相对位置。（b）和（c）分别为静息和刺激期间的ΔHb，覆盖有颅窗内的动脉血管造影图。彩条代表Hb浓度差异。c中较暖的区域对应较高的ΔHb水平，表明功能激活期间HLS1区域有氧消耗。β：前卤；λ：后卤；SS：矢状缝；FLS1：前肢体感皮层；HLS1：后肢体感皮层。

02-HLS1和CTRL处的OCTA血管造影及测速
从体积式三维OMAG数据集的x-y正面最大投影（MIP）获得颅窗内的脑血管造影图（图3a）。在距皮质表面300μm厚的组织内，血管在轴向空间（z）中的深度位置用颜色显现。红色、绿色和蓝色分别代表从表层软脑膜血管到较深毛细血管。根据氧合图，选择氧合增加的皮质区域HLS1和非激活区域CTRL进行静息和刺激情况下的测速扫描。以HLS1静息（图3b）和刺激（图3c）期间，以及CTRL静息（图3d）和刺激（图3e）期间的x-y正面平均强度投影（AIP）显示三维测速扫描的中频（MF）图。图中每个信号点代表动态红细胞运动的一个MF分析，颜色条显示MF值（Hz）。在四张图谱的每一张中，从距皮质表面300μm厚的三维空间获得了> 20,000个MF信号。

图3脑血管造影和毛细血管速度图。（a）颅窗内距皮质表面300μm的三维OMAG数据集的正面MIP。虚线方块表示OCTA测速扫描区域。如先前ΔHb图所示，黄色正方形包围激活中心（HLS1）内的血管床，白色方形标记远离激活中心且没有明显氧合消耗变化的对照区域（CTRL）。（b-e）HLS1静息（b）和刺激（c）期间、CTRL静息（d）和刺激（e）期间的三维MF图谱的正面AIP图像。颜色条表示MF值。红色虚线方块表示选择用于速度分布分析的区域，避免包含大的软脑膜小动脉。
 

03-HLS1处的毛细管通过时间分布变化和CTTH降低

评估HLS1处在静息期间和电刺激时，MF和通过时间的空间分布。为了更准确地评估毛细血管流动动力学，分割以去除直径> 15μm的较大血管的MF信号（图4a）。其中MF值绘制成直方图分布，白色条表静息，黑色条表刺激（图4b）。对这两种分布进行区分（图4d），表明大多数毛细血管中的红细胞速度在统计学上向低速偏移，流速较快的计数变少。毛细血管通过时间由MF导出的速度转换而来，并绘制成直方图分布（图4c）。静息和刺激之间的差异表明，刺激期间，通过时间在统计上向较低值偏移，较长传输时间的计数变少（图4e）。为导出MTT和CTTH值，将两个直方图拟合到伽马函数曲线中（图4f），用αβ计算MTT，计算CTTH。通过测量12只动物HLS1中的相对变化，观察到从静息到刺激，MTT降低了9.8% ± 2.2，CTTH降低了5.9% ± 1.4。



 

图4 HLS1处毛细血管通过时间分布。（a）MF图，去除较大表面小动脉（> 15μm）后，距皮质表面300μm的三维数据集的AIP。（b）静息和刺激状态下的MF直方图分布。（c）毛细血管通过时间的直方图分布。（d）b中直方图函数之间的区别。（e）c中直方图函数之间的区别。黑色虚线表示正负值之间的转换。（f）伽马函数拟合c中的毛细血管通过时间分布。拟合中的测定系数为R²=0.9873（静息，虚线）和0.9811（刺激，实线）。
 

04-对照区域的毛细管通过时间分布

研究也证明了CTRL处的毛细管流量分布的变化，展示了静息和刺激条件下分割后MF正面投影图谱（图5a）。根据MF（图5b）和通过时间（图5c）的直方图分布、静息和刺激之间的区别（图5d，e），以及几乎重叠的伽马函数曲线（图5f），可以推断在后爪电刺激期间对照区毛细血管流动模式没有显著变化。对12只动物非激活区的观察结果一致。

图5对照区域的毛细管通过时间分布。（a）静息和刺激下CTRL区域的MF图谱。（b）和（c）分别为MF和毛细血管通过时间的直方图分布。（d）和（e）分别为MF和通过时间的直方图函数从静息到刺激的区别。静息和刺激的差异不明显，也没有明确的从负值到正值的转换。（f）伽马函数拟合毛细血管通过时间分布，其中静息和刺激的R²分别为0.9796和0.9922。

05-HLS1和CTRL处的血液动力学参数及其在刺激下的相对变化

比较HLS1和CTRL处的血液动力学参数的相对变化（从静息到刺激）。在电刺激时，两个区域间ΔMTV (mean transit velocity)（t检验，p < 0.01）（图6a）和ΔMTT (mean transit time)（t检验，p < 0.01）（图6b）有显著差异，表明在后爪电刺激期间，HLS1区域毛细血管床中行进的红细胞通过速度更高、通过时间更短。而两个区域间显著的CTTH差异（t检验，p<0.05）（图6c）表明，局部毛细血管均匀化仅针对HLS1，而不是遍及所有皮质区域。表1列出了静息和刺激时两个区域的MTV、MTT和CTTH。
 表1

 

图6 HLS1和CTRL毛细血管参数的统计比较。（a）ΔMTV，（b）ΔMTT，（c）ΔCTTH。* p< 0.05，* * p< 0.01。

结论

本文通过对小鼠后爪电刺激研究了小鼠体感皮层微循环在功能性激活下的调整。对脑组织床毛细血管通过时间进行的统计性OCTA分析显示，MTT下降与功能性充血（CBF增加）和CTTH减少（局部ΔHb增加）一致。结果了支持毛细血管血流均匀化在功能性充血时脑组织氧合中的重要作用。高时空分辨率的OCTA毛细血管测速方法可体内定量评估啮齿动物脑微循环动力学，有助于更好地理解神经血管耦合机制。可应用于研究正常和血流代谢缺陷病理条件下，CTTH变化或功能障碍。

参考文献：Li, Y. ,  W. Wei , and  R. K. Wang . "Capillary flow homogenization during functional activation revealed by optical coherence tomography angiography based capillary velocimetry." Scientific Reports.