如今，研究人员可以使用多种技术对人体进行成像，从传统的光和激光到磁共振和超声波。杜克大学成像科学家Junjie Yao致力于开发用于生物医学和临床研究的光声成像技术。在其开发的其中一种方法——称为光声断层扫描(PAT)中，Yao及其团队使用激光激发生物分子，使其产生超声波，其断层扫描系统能够检测到这些信号。
Yao与同在杜克大学的神经科学家Wei Yang合作，尝试利用PAT研究大脑废物清除过程——即类淋巴系统。这一过程与传统淋巴系统不同，后者负责清除身体其他部位的废物。而在类淋巴系统中，血管系统的血压推动脑脊液(CSF)在血管周围的空隙中流动，通过扩散作用收集并清除代谢副产物和神经元碎片。
然而，由于分辨率、穿透深度或整体视野的限制，研究人员一直难以实时、详细地研究类淋巴系统。对Yang和Yao来说，PAT提供了一个非侵入性监测脑脊液流动以及血管动力学变化如何影响这一过程的机会。结合另一种辅助成像脑部血液流动的显微技术，研究人员开发出一种新型成像方法，可帮助科学家更好地理解脑部及其血液供应的变化如何影响这一关键系统。
作为代谢活跃的器官，大脑会产生副产物和碎片，若不及时清除，将积累并造成损伤。"就像你所在城市的垃圾回收系统罢工或无法工作一样，你会在社区周围积累大量废物，随着时间推移情况会越来越糟，"Yao解释道。先前研究表明，类淋巴系统功能障碍会对阿尔茨海默病、帕金森病和创伤性脑损伤等神经系统疾病产生负面影响。
与其他成像方法不同，PAT可以非侵入性地同时观察类淋巴系统和血管系统，研究血压如何推动脑脊液流经大脑。通常，脑脊液是透明的，很少有能产生超声波的分子，但Yao及其团队直接向类淋巴系统引入红外示踪分子，以提供更好的系统可视化所需对比度。这一添加解决了不可见性问题，但仅靠PAT的空间分辨率不足以评估整个大脑血管系统。因此，这对研究伙伴与杜克大学使用超声定位显微镜(ULM)的生物医学工程师Pengfei Song合作，Yao此前曾与他有过单独合作。"看到老朋友参与新项目非常令人兴奋，"Yao补充道。
借助Song的专业知识，研究团队使用定制系统不仅能接收Yao激光激发分子产生的超声信号，还能发射和检测自身超声信号。利用这种能力，研究人员将充满气体的微气泡引入小鼠血管系统，这些微气泡以与类淋巴系统中示踪剂不同的频率响应超声，使科学家能够同时检测它们。
然而，在研究人员能够成功研究血管系统和类淋巴系统之前，他们必须克服最后一个障碍：速度。"这是一个动态系统。我们需要足够快才能捕捉血液如何流动、类淋巴系统如何运作，"Yao表示。
为捕捉大脑周围的这种流动，研究人员开发了能够同步PAT和ULM输出的硬件，以及实时处理这些信号的计算模型。研究团队将这两种技术结合，命名为3D-PAULM，Yao表示，这克服了最后一个障碍。"现在我们就像既能看见城市的高速公路，也能看见城市的本地街道。"
3D-PAULM图像重现了大脑的血管系统，显示较深的血管呈蓝色和绿色，靠近表面的血管呈红色和橙色。研究人员叠加了围绕这些血管的类淋巴脑脊液的红色、橙色和黄色图像。最近，该团队展示了该技术如何同时跟踪血流和类淋巴系统。他们还利用该技术识别了中风、衰老和麻醉模型中这些过程的变化。
Yao表示，作为一名已开发这些技术十年的成像科学家，他每天都会因与团队突破技术边界而感到新的兴奋。当他看到3D-PAULM的首批图像时，他回忆道："这太棒了。我们还能做更多吗？我们能再研究一点吗？"
事实上，他和他的合作者很高兴有其他科学家联系他们，希望进一步推进该技术、以不同方式处理数据，甚至利用这些发现帮助训练AI模型。Yao表示，他最希望看到该团队的发现和他们的技术超越基础研究，帮助改善中风治疗或促进脑部健康。此外，他说3D-PAULM也可应用于大脑以外的领域，因为他和他的团队目前正在与科学家合作研究肿瘤微环境。
Junjie Yao是Lumius Imaging Inc.的联合创始人和顾问。该公司并未资助当前工作，目前也未寻求3D-PAULM的商业化。
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