Ricerche

Ricercatori della Duke hanno usato una combinazione di innovazioni hardware e algoritmi di apprendimento automatico per creare lo strumento di scansione fotoacustico più veloce disponibile.

Vascolarizzazione del cervello con i colori che indicano vari livelli di ossigenazione dei capillari mentre il cervello subisce l'ipossia

Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno sviluppato un metodo per scansionare e visualizzare il flusso sanguigno e i livelli di ossigeno all'interno del cervello di topo, in tempo reale e con una risoluzione sufficiente per vedere l'attività dei singoli vasi capillari e dell'intero cervello contemporaneamente.

Questo nuovo approccio di scansione rompe le barriere di velocità e risoluzione esistenti da lungo tempo nelle tecnologie di scansione cerebrale e potrebbe acquisire nuove informazioni sulle malattie neurovascolari come ictus, demenza e persino lesioni cerebrali acute.

La ricerca è apparsa il 17 maggio su Light: Science & Applications.

Scansionare il cervello è un atto di equilibrio. Gli strumenti devono essere abbastanza veloci da catturare eventi rapidi, come un neurone che 'spara' o un flusso di sangue attraverso un capillare, e devono mostrare le attività su scale diverse, che si tratti di tutto il cervello o di una singola arteria.

"Puoi realizzare queste cose singolarmente, ma è molto difficile farlo tutto insieme", ha detto Junjie Yao, assistente professore di ingegneria biomedica della Duke. "È come scegliere tra avere un'auto veloce che è piccola e scomoda, o un'auto ampia e spaziosa che non fa più di 50 km all'ora. Per molto tempo, non c'è stato un modo di ottenere tutto ciò che si voleva in ​​una volta".

Nel nuovo studio, Yao e il suo team discutono di come hanno trovato questo compromesso, sviluppando la microscopia fotoacustica ultraveloce (UFF-PAM, ultrafast photoacoustic microscopy).

La microscopia fotoacustica usa le proprietà della luce e del suono per catturare immagini dettagliate di organi, tessuti e cellule in tutto il corpo. La tecnica si avvale di un laser per inviare luce nel tessuto o nella cellula mirati. Quando il laser colpisce la cellula, si riscalda e si espande istantaneamente, creando un'onda ad ultrasuoni che torna a un sensore.

L'UFF-PAM si basa su una combinazione di progressi hardware e algoritmi di apprendimento automatico per aggiornare la tecnica. Sul lato hardware, un sistema di scansione a poligono invia più lampi laser in un'area più ampia, mentre un nuovo meccanismo di scansione consente allo scanner laser e al sensore ad ultrasuoni di funzionare contemporaneamente.

Secondo Yao, questi cambiamenti hanno raddoppiato la velocità del loro dispositivo, rendendo l'UFF-PAM la tecnologia di scansione più veloce nella comunità fotoacustica. Yao e il suo team hanno quindi sviluppato un algoritmo di apprendimento automatico che ha migliorato la risoluzione delle loro immagini.

Lo hanno addestrato a identificare la vascolarizzazione nel cervello attraverso oltre 400 immagini di cervello di topo raccolti in esperimenti precedenti. Sebbene ogni cervello sia unico, l'algoritmo ha imparato a identificare le strutture comuni e ha usato questa conoscenza per inserire i pixel che prima mancavano.

"Le immagini risultanti sembravano dettagliate come quelle ad alta risoluzione che di solito avremmo ottenuto se fossimo a una velocità molto più lenta e non abbiamo bisogno di sacrificare un campo visivo completo", ha detto Yao.

Come prova di concetto, il team ha usato l'UFF-PAM per visualizzare come i vasi sanguigni nel cervello di topo rispondono all'ipossia, all'ipotensione indotta da farmaci e all'ictus ischemico. Durante la sfida dell'ipossia, l'UFF-PAM ha tracciato il modo in cui l'ossigeno si è mosso attraverso il cervello e ha dimostrato che bassi livelli di ossigeno causano la dilatazione dei vasi sanguigni.

Nella seconda sfida, il team ha usato il farmaco nitroprussiato di sodio (SNP), che è usato comunemente per trattare la pressione alta. In precedenza, i ricercatori pensavano che il SNP provocasse la dilatazione di tutti i vasi sanguigni nel cervello. Ma Yao e il suo team hanno invece dimostrato che solo i vasi sanguigni più grandi si aprono, mentre quelli più piccoli si restringono.

"Avendo osservato rapidamente ad alta risoluzione i vasi più piccoli, abbiamo visto che la dilatazione non è in realtà la risposta universale al farmaco", ha detto Yao. "Abbiamo visto che questi piccoli vasi non riuscivano a fornire abbastanza ossigeno e sostanze nutritive al tessuto, il che ha causato danni".

Nella sfida finale, il team ha usato l'UFF-PAM per osservare come il cervello risponde all'ictus e inizia a riprendersi. La squadra ha visto che, immediatamente dopo un ictus, i vasi sanguigni nell'area interessata si restringono. Ciò fa comprimere anche i vasi vicini in un fenomeno chiamato 'onda di depolarizzazione diffusa'. Per merito del grande campo visivo e della velocità elevata di scansione, la squadra è stata in grado di individuare con precisione la posizione di partenza dell'onda e a monitorarne il movimento mentre si propagava in tutto il cervello.

Guardando al futuro, il team punta a usare l'UFF-PAM per esplorare ulteriori modelli di malattie cerebrali, come la demenza, l'Alzheimer o persino il Long Covid. Hanno anche in programma di espandere l'uso dello strumento al di fuori del cervello per visualizzare organi come il cuore, il fegato e la placenta. Questi organi sono sempre stati impegnativi da scansionare perché si muovono continuamente, quindi gli strumenti di scansione devono funzionare a una velocità maggiore.

"C'è molto che possiamo fare con questa tecnologia ora che abbiamo affrontato questi ostacoli di lunga data", ha detto Yao. "Stiamo cercando di scegliere i progetti più impegnativi su cui lavorare per massimizzare l'impatto di questa tecnologia".