By Beth Miller
大脑依赖其微血管网络实时输送氧气和营养物质，这些微血管像电线一样穿过神经组织。虽然现代成像技术允许研究人员追踪大脑中单个神经元的活动，但还不足以在相当的空间尺度上解析微血管功能。这一差距阻碍了我们对脑小血管疾病及其对认知障碍和痴呆影响的理解。
为了应对这一挑战，华盛顿大学圣路易斯分校和西北大学的研究团队，在麦凯维工程学院生物医学工程教授Song Hu的领导下，开发了超分辨率功能光声显微镜（SR-fPAM）。通过追踪红细胞的运动及其氧合依赖性颜色变化，SR-fPAM使研究人员能够在小鼠大脑中以单细胞分辨率对血流和氧合进行成像，这弥合了功能性微血管成像中的一个关键空白，并为理解微血管健康和疾病（如中风、血管性痴呆和阿尔茨海默病）提供了新的视角。
研究结果于2026年3月3日发表在《光：科学与应用》期刊上。
红细胞在血管中大量存在，由于血红蛋白（负责氧气运输的分子）的作用，它们自然吸收光线。当用短激光脉冲照射时，血红蛋白会产生超声波，这种现象称为光声效应。传统的光声显微镜可以在不标记的情况下对血管进行成像，但无法提供三维单细胞分辨率。
Hu的团队通过开发一种高速光声显微镜来应对这一限制，该显微镜能够以毫秒级间隔对同一脑区进行重复成像，从而可以追踪红细胞在毛细血管中单行移动以及在较大血管中成群移动的情况。通过追踪这些细胞在连续帧中的运动并计算累积其轨迹，研究人员能够以单细胞分辨率重建三维微血管结构。
Hu说：“类似于超分辨率荧光和超声成像，SR-fPAM利用高速成像来追踪动态，并利用这些信息识别出比传统分辨率极限更小的特征。我们将多个时空采集的帧浓缩成一帧，分辨率大幅提高。”
在实验中，SR-fPAM揭示了诱导中风后大脑三维微血管网络中血流和氧合的重新分布。当单个微血管被阻塞时，邻近的血管立即改变其血流模式，重新引导红细胞以帮助维持对受影响组织的氧气供应。
Hu说：“当一条血管被阻塞时，红细胞会采取替代路线以继续流动和供氧。利用SR-fPAM，我们不仅可以观察到三维微血管的结构变化，还能观察到红细胞移动的速度、血流方向的改变，以及它们如何在中风引起的缺血反应中向周围组织释放氧气。”
展望未来，Hu和他的团队希望将SR-fPAM与双光子显微镜配对，以便同时以单细胞分辨率成像红细胞和神经元。
Hu说：“这将使我们能够研究神经元和微血管如何时空协调，以及它们的动态耦合在疾病中如何被破坏。它还可能帮助我们更好地解读临床神经成像技术，例如功能磁共振成像，该技术通过血管信号推断大脑活动。”
Hu表示，这项工作可能具有重要的转化价值。
Hu说：“脑小血管疾病越来越被认为是认知障碍和痴呆的主要原因，华盛顿大学在基础研究和临床研究方面都处于这一领域的前沿。如果我们能更好地了解微血管氧合和血流在疾病早期阶段如何变化，这可能有助于指导早期检测策略和治疗干预的制定。”
Zhong F, Wang Z, Lee Y, Han J, Sun N, Yang S, Ji S, Zhang HF, Sun C, Hu S. Super-resolution functional photoacoustic microscopy via label-free cell tracking. Light: Science & Applications. March 3, 2026, DOI: 10.1038/s41377-026-02235-3.
这项研究部分得到了美国国立卫生研究院（NS099261, NS120481, NS125677, AG079503, P41GM135018）、美国国家科学基金会（202988）、陈-扎克伯格倡议前沿成像奖以及华盛顿大学成像科学路径奖学金的支持。在纳米材料中心（美国能源部科学用户设施）进行的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持，合同编号DE-AC02-06CH11357。
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