超声也能看脑部图像？——fUS脑功能成像系统助力神经科学研究

2026-06-30 14:25:36, 玉研仪器上海玉研科学仪器有限公司

在众多成像工具中，超声波凭借其安全、高效的特点，在疾病诊断、病理生理研究等领域展现出独特优势。相较于MRI和CT，超声不仅安全性更高、成像速度更快，而且适用范围更广。然而，在脑成像方面，传统经颅超声技术仍面临一大挑战：颅骨与软组织之间存在显著的声阻抗差异。

近年来，超声技术取得了一系列新进展，涵盖了组织结构成像、血流成像、功能成像以及图像增强等多个方向。其中功能超声成像（functional ultrasound imaging, fUSI）已经逐渐用于评估大脑的结构与功能，填补了功能磁共振和光学成像之间的技术空白。

应用领域一：神经环路研究

来自伦敦大学的研究人员借助功能超声成像（fUS）与高频超声探头首次揭示：小鼠全脑血容量的动态变化，并非由整体神经活动决定，而是由两类功能对立的神经种群——Arousal⁺与 Arousal⁻神经元共同驱动，并据此建立了高精度预测模型。这一发现重塑了神经血管耦合的理论框架。

在本项研究中团队在对小鼠进行开颅后植入声学透明窗，系统采集了后脑、间脑、中脑及脑桥的冠状平面数据，整合获得了高信噪比的全脑血流动态图谱。整个研究过程发现，小鼠自发的胡须运动可作为觉醒状态的行为标识。不论是短暂还是持续的胡须运动，均能诱发全脑范围内“先升后降”的双相血容量变化。fUS凭借其卓越的时空分辨率，清晰捕捉到了这一跨脑区的精细血流动力学特征，并且发现了Arousal+神经元与觉醒呈正相关，而Arousal-神经元与觉醒呈负相关，不同脑区血容量响应差异，主要源于Arousal⁺/⁻神经元比例不同，而非耦合机制本身不同。

应用领域二：脑缺血研究

来自苏黎世大学的研究人员利用了fUS技术的超高分辨率血流成像功能研究了缺血性脑卒中后的血流再灌注。研究人员发现软脑膜侧支（LMCs）在缺血性卒中再灌注过程中发挥关键调节作用，能够防止“无效再通”，减少出血转化和脑损伤。

通过脑功能成像（fUS）技术可以看到在侧支丰富的C57BL/6小鼠中，远端MCA区域（M4/M5）的血流恢复较为缓慢，仅回升至基线的50%左右，但其功能预后良好，提示丰富的侧支可能更倾向于保障近端供血——功能超声（fUS）也证实，其M3区灌注可恢复至100%以上。相比之下，侧支匮乏的Balb-C和Rabep2⁻/⁻小鼠虽然远端灌注水平更高（约60%基线），但近端M3区却出现了明显的高灌注状态（接近基线的140%），且再灌注速度也更快（恢复至基线仅需66-84分钟，而C57BL/6则需要98分钟）。

上述结果说明，软脑膜侧支通过调控血流分配来减轻缺血损伤：

当侧支丰富时，血流分布更为均衡，但恢复进程较慢；
而侧支不足时，近端代偿性高灌注反而可能加剧下游血流的波动。

这一机制差异，为解释不同侧支状态患者在接受溶栓治疗后疗效迥异的现象提供了重要依据。

应用领域三：脑机接口探索

来自加州理工大学的研究者首次在非人灵长类上实现单次trial fUS信号的解码，并对动物的意图进行预测，成功证明单次的fUS信号足以用来对动物的多种行为进行解码。

研究人员根据单个trial的fUS信号对动物的多种行为实现了成功的解码，包括动物是否在进行任务，动物的反应方式是拉杆还是动眼，动物将向左还是向右，这几个维度的行为都可以通过fUS信号解码出来。

脑功能成像利器

SonoRover fUS是一款专为实验动物打造的高分辨率脑功能超声成像系统，搭配高性能处理器和先进的微血管血流成像算法，可以以高时间分辨率和高空间分辨率对大小鼠等实验动物的全脑功能进行成像。

具备多种高频换能器，可以针对不同深度、不同规格的实验动物进行准确匹配，且具有独特的诊疗一体化探头，可以同步实现神经调控和成像。在神经科学领域，如脑功能疾病研究、神经反馈调节、脑疾病药物筛选、神经精神疾病研究以及脑机接口等领域具有巨大的应用潜力。

技术优势

全脑深脑成像

能够同时捕捉全脑及深层脑区的详细信息，扩展了成像的覆盖范围；

高帧频脑成像

支持快速动态成像，捕捉脑功能活动的快速变化，适合实时监测；

高空间分辨率

具备精细的空间分辨率，确保脑部微小结构清晰呈现提高诊断精准度；

高时间分辨率

具备极高的时间分辨率，能够精确捕捉脑功能活动的瞬时波动，支持动态分析；

超声诊疗一体化模块

诊疗一体

集成超声成像与神经调控功能，支持同步或独立工作模式；

高性能硬件

配备128阵元探头，5-10MHz宽频范围，兼顾成像分辨率与调控深度；

模块化扩展

灵活适配多场景需求，为科研与临床提供更多创新应用；

应用场景

神经疾病模型研究

用于小动物神经疾病模型的功能评估，帮助探索脑损伤、脑卒中、癫痫、帕金森病等疾病的发生机制；

脑功能网络与行为研究

分析小动物在进行特定行为任务时的脑功能活动，探究神经网络在认知、情感及运动等行为中的作用；

药物筛选与疗效评估

用于评估药物或治疗手段对脑功能的影响，提供实时脑功能变化的监测；

基因编辑与神经调控研究

结合基因编辑技术，研究特定基因对小动物脑功能的影响；

脑-机接口技术研究

分析小动物在进行特定行为任务时的脑功能活动，探究神经网络在认知、情感及运动等行为中的作用；

结语

脑功能超声（fUS）基于神经血管耦合，可高时空分辨率（百微米/百毫秒）监测清醒小鼠、大鼠等动物的脑区血流动力学，绘制任务态或静息态脑功能图谱，解析全脑连接性；广泛用于癫痫、卒中、阿尔茨海默病等神经疾病模型机制研究，以及药物或光遗传干预效果的长期评估。未来有望实现便携式长时监测、结合超分辨技术绘制微血管图谱，及推动脑机接口与神经疾病机制研究。

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