清醒小动物缺血脑卒中早期神经血管耦合多模态光学成像研究

Neurovascular coupling (NVC) adapts cerebral blood flow distribution to underlying cortical activity. The disrupted NVC in stroke acute stage(<3hr) provides an important biomarker for brain injury. An important issue in stroke research is looking for the early pathophysiological biomarker which can predict the severity of brain injury and help with therapy administration. Currently, most experimental stroke research, e.g. the NVC imaging post stroke, was performed under anesthesia. However, the use of anesthetics alters the NVC characteristics and leads to neuroprotective outcomes, which serves as one major challenge in bench-to-bedside translation of stroke research. In our previous study, we found that the hemodynamic features were affected by anesthetics at as early as during ischemic stroke induction. In this proposal, we aimed at developing a multi-modal NVC imaging system for ischemic stroke acute stage study, which could be applied in awake freely moving animals. We will develop advanced methodologies to extract the functional NVC parameters for brain injury prediction. Utilizing this system, we will compare the NVC spatiotemporal features after acute ischemic stroke with or without anesthetics administration and try to find out the effect of intraoperative anesthesia on NVC changes. This work provides an important optical imaging technology in stroke experimental research and will bring additional insights in understanding the translational difficulty in stroke research. Moreover, the functional NVC biomarker observed using our system could help identify the ischemic area at acute stage and provide implications for efficient and appropriate therapy administration.

神经血管耦合(NVC)通过调节脑血流分布，应对不同脑区的功能活动，脑卒中后早期(<3hr) NVC失调为脑损伤提供重要病理指征。对脑卒中早期NVC功能的有效监测，为脑损伤诊断及治疗方案的及时制定，提供重要的技术手段。目前卒中后NVC的监测研究大多在动物麻醉状态下进行，但麻醉剂对神经血管功能及脑损伤均会产生影响，是卒中研究从实验向临床转化的一大挑战。我们前期在符合动物伦理条件下，实现了小动物清醒运动状态缺血脑卒中造模及实时脑血流成像，发现麻醉剂对脑血流的影响在缺血过程中已产生。本项目将进一步研究清醒运动小动物缺血脑卒中早期NVC光学成像及参数检测方法；定义与脑损伤程度密切相关的脑功能参数，分析其时空变化特性及与脑损伤的相关性；研究缺血过程中麻醉剂的使用对卒中早期NVC及脑损伤的影响。本项目拟为脑卒中动物实验研究提供具有临床转化意义的重要监测手段，为无麻醉状态下卒中机制及治疗方案研究提供依据。

神经血管耦合(NVC)通过调节脑血流分布，应对不同脑区的功能活动，脑卒中后早期(<3hr) NVC失调为脑损伤提供重要病理指征。对脑卒中早期NVC功能的有效监测，为脑损伤诊断及治疗方案的及时制定，提供重要的技术手段。目前卒中后NVC的监测研究大多在动物麻醉状态下进行，但麻醉剂对神经血管功能及脑损伤均会产生影响，是卒中研究从实验向临床转化的一大挑战。我们前期在符合动物伦理条件下，实现了小动物清醒运动状态缺血脑卒中造模及实时脑血流成像，发现麻醉剂对脑血流的影响在缺血过程中已产生。本项目将进一步研究清醒运动小动物缺血脑卒中早期NVC光学成像及参数检测方法。.在光学成像方面，本项目提出了小动物缺血脑卒中早期NVC光学检测方法。基于激光散斑衬比成像和内源光成像两种技术，研发了微型头戴式小动物脑功能成像设备，用于在小动物自由运动状态下进行其脑功能成像，具有质量轻、性能较佳、成像范围大、系统简单等优点，一定程度上解决了现有设备的不足。我们应用此微型成像装置，对自由运动状态下大鼠脑缺血诱导前后脑功能进行了监测，研究了其脑血氧代谢的变化。此外，我们利用该成像头研究了麻醉剂(异氟烷)对神经血管耦合响应的影响，发现了清醒状态下光基因刺激引起的脑血流响应面积与响应幅度均高于麻醉状态下的响应面积与幅度。.进一步地，本项目论证了脑卒中早期利用光基因刺激实现NVC保护的机制。本项目利用携带特异性启动子的AAV建立了大鼠皮层神经元靶向系统，证实激光散斑衬比成像技术可以在体实时地读取光基因刺激产生的输出信号。在缺血性脑损伤急性期，通过光基因技术对特定脑区实现细胞特异性水平的调控，利用高时空分辨率的光学成像技术研究了细胞特异性调控对血管血流、组织代谢以及神经血管响应等多个方面的作用。研究结果有利于理解大脑皮层锥体细胞活动在脑保护中的作用机制，同时为急性缺血性脑损伤后神经调控范式的设计提供实验依据。