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。虽然现代成像技术使研究人员能够追踪大脑中单个神经元的活动，但还不足以在类似空间尺度上解析微血管功能。这一空白阻碍了我们对脑小血管疾病及其导致认知障碍和痴呆的理解。
为了应对这一挑战，由圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院生物医学工程教授宋胡领导的华盛顿大学和西北大学研究团队开发了超分辨率功能性光声显微镜(SR-fPAM)。通过追踪红细胞的移动及其氧合依赖的颜色变化，SR-fPAM能够在小鼠脑中以单细胞分辨率成像血流和氧合，弥补了功能性微血管成像的关键缺口，并为微血管健康及疾病（如中风、血管性痴呆和阿尔茨海默病）提供新见解。
该研究结果于2026年3月3日发表在《光：科学与应用》期刊上。
红细胞在血管中含量丰富，由于其携带氧气的血红蛋白分子而自然吸收光。当受到短激光脉冲照射时，血红蛋白会产生超声波，这种现象称为光声效应。传统的光声显微镜虽能不需要标记即可成像血管，但无法实现三维单细胞分辨率。
胡的团队通过开发一种高速光声显微镜解决了这一局限性。该显微镜能以毫秒间隔反复成像同一脑区，从而能够追踪红细胞在毛细血管中的单列运动以及在较大血管中的群组运动。通过连续帧追踪这些细胞并计算累积其轨迹，研究人员能够以单细胞分辨率重建三维微血管结构。
"类似于超分辨率荧光和超声成像，SR-fPAM利用高速成像追踪动态变化，并利用这些信息识别超出传统分辨率极限的特征。我们将多个时空获取的帧压缩成一帧，分辨率大幅提高。"——宋胡，麦凯维工程学院生物医学工程教授
在实验中，SR-fPAM揭示了大脑中诱发中风后血流和氧合如何在三维微血管网络中重新分布。当单根微血管被阻塞时，附近的血管立即改变其流动模式，重新引导红细胞以帮助维持受影响组织的氧气供应。
"当一根血管被阻塞时，红细胞会走替代路线以继续流动和供氧，"胡说。"利用SR-fPAM，我们不仅可以观察三维微血管的结构变化，还能看到红细胞移动速度、流向变化以及在中风引起的缺血如何向周围组织释放氧气。"
展望未来，胡和他的团队希望将SR-fPAM与双光子显微镜配对，从而能够同时以单细胞分辨率成像红细胞和神经元。
"这将使我们能够研究神经元和微血管在时空上如何相互协调，以及它们的动态耦合在疾病中如何被破坏，"胡说。"它也可能帮助我们更好地解释功能性MRI等临床神经成像技术，这些技术通过血管信号推断大脑活动。"
胡表示这项工作可能具有重要的转化意义。
"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，而华盛顿大学在基础和临床研究方面均处于该领域前沿，"胡说。"如果我们能更好地理解微血管氧合和血流在疾病早期阶段的变化，或许有助于指导早期检测策略和治疗干预的开发。"
来源：圣路易斯华盛顿大学
期刊参考：钟芳等(2026). 超分辨率功能性光声显微镜：基于无标记细胞追踪. 《光：科学与应用》. DOI: 10.1038/s41377-026-02235-3.
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