脑皮层功能多模式光学成像系统及其应用的研究

论文摘要

脑是生物体接收和处理信息的中枢。然而,由于脑的复杂性及特殊性,人类对于脑的调节机制,如神经血管耦合等机制,以及神经系统相关疾病机理的认识还不是很清楚,亟需在研究方法学及其应用层面上开展进一步研究。脑功能成像方法为人类了解脑的奥秘以及脑部疾病诊断提供了一种有效的方法,然而单一模式的成像方法不能同时获得脑在生理病理状态下的多个参数,不利于神经血管耦合机制的阐明以及脑部相关疾病的诊断,而实现多项生理参数并行测量的多模式成像技术,则能够从多角度,多方位地反映神经活动,有助于对神经功能信号生理基础的理解,对脑调节机制的认识及相关疾病机理的研究都具有重要的意义。光学成像作为一种无损、高时空分辨率的脑功能成像技术,在研究视皮层等区域功能构筑及其血液动力学响应方面取得了重大进展,而且相比其它成像方法,更具有实现多种模式相结合的潜力。因此,本文研制了一套能实现多种参数并行测量的脑皮层功能高分辨多模式光学成像系统,并利用该系统对皮层扩散性抑制(Cortical spreading depression,CSD)和脑皮层不完全性缺血(Partial ischemia)等生理病理状态作了初步的研究。主要内容如下：(1)针对活体荧光成像中,组织吸收特性的改变会引起荧光信号波动这一问题,提出了一种适用于脑皮层功能活动研究的荧光校正方法,并研制了一套具有荧光校正潜力的脑皮层功能高分辨多模式光学成像系统。该系统结合了胞内pH敏感荧光成像、双波长内源信号光学成像和激光散斑衬比成像技术,能同时监测胞内pH值,血红蛋白浓度、血流速度、血氧代谢率及血管管径的变化,而且具有实现荧光校正的能力。(2)利用多模式光学成像系统监测了大鼠皮层扩散性抑制引起的脑皮层多参数响应。CSD过程中胞内pH会经历一个快速酸化及小幅碱化的变化过程,并伴随有软脑膜动脉血管的舒张、皮层的充血、血氧代谢率的增加和血红蛋白浓度的变化。在CSD传播之后,细胞内处于长时间酸化的状态,胞内pH从CSD中的恢复比血液动力学参数的恢复所需要的时间要长得多,这可能是由CSD期间糖酵解过程的激活引起乳酸含量持续增加所致。另外,我们还利用激光散斑衬比成像以及内源信号光学成像研究了二甲基亚砜(Dimethylsulfoxide, DMSO)在0.1%～4%的浓度范围内对CSD过程中血液动力学响应的影响。0.4%以上浓度的DMSO不仅能引起静息状态下软脑膜动脉血管的显著舒张以及整个大脑皮层血流速度的显著增加,而且还能够以一种浓度依赖的方式抑制各血管成分对CSD的血液动力学响应,但对CSD过程中血流速度最大值并没有显著影响,提示这种抑制现象可能是由于DMSO使基线血管管径和血流速度增加所造成的。为了避免DMSO作为溶剂产生的这种虚假响应,在使用DMSO作为不溶于水药物的溶剂来研究CSD的机制时,其浓度应保持在0.1%以下。(3)利用多模式光学成像观察了颈总动脉结扎引起的大脑皮层不完全性缺血及再灌注过程。在结扎颈总动脉后,大脑皮层立即处于不完全性缺血状态,血氧代谢率降低,之后脑血管自我调节机制的激活使动脉血管有所舒张,脑血容在一定程度上有所增加,但其中以脱氧血红蛋白居多。同时,由于氧气供应不足,糖酵解过程被激活,所产生的乳酸使胞内呈现酸化状态。在松开颈总动脉后,脑血流会立即出现超灌注,最后所有参数均缓慢回复至基线。另外,在同侧颈总动脉血流供应正常时,结扎对侧颈总动脉对大脑皮层的血流基本上没有影响；而在同侧颈总动脉血流供应受限时,对侧颈总动脉对大脑皮层的血流有一定贡献：(1)结扎对侧颈总动脉会导致更严重的缺血；(2)恢复对侧颈总动脉的血流供应,则可以缓解皮层的缺血状态。这些结果表明大脑皮层的血流供应主要由同侧颈总动脉所提供,当同侧颈总动脉供应不足大脑皮层处于缺血状态时,大脑会通过大脑动脉环的代偿机制,调节对侧颈总动脉的血流供应,以满足脑组织的代谢需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 脑功能成像技术概述
• 1.2 脑皮层功能光学成像方法
• 1.3 脑皮层功能多模式光学成像方法进展
• 1.4 本文的主要内容
• 2 脑皮层功能多模式光学成像系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 系统设计方案
• 2.3 荧光校正方法及模型实验
• 2.4 系统性能分析
• 2.5 本章小结
• 3 多模式光学成像监测大鼠皮层扩散性抑制过程
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.3 结果
• 3.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 4 多模式光学成像监测大鼠脑皮层不完全性缺血过程
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要内容与结论
• 5.2 主要创新
• 5.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者攻读博士学位期间发表论文目录