在神經精神疾病的基礎研究中，對模型動物以及藥物影響下大腦功能準確的定量觀察是極為重要的，這種活體腦功能的觀察能夠幫助我們理解藥物影響大腦的機制，並且幫助我們尋找新的biomarker，並進一步開展新藥的篩選。功能性核磁共振（fMRI）可以提供大腦活動和功能連接的信息，在藥物研發中是一個十分有用的工具，被稱為「pharmacological MRI」。然而，fMRI在小動物實驗上存在一些限制，一個是fMRI空間解析度不夠高，另一個是檢測時一般需要對動物進行麻醉，而麻醉對動物大腦功能本身就具有很大的影響，在這種情況下很難得到真正具有生理意義的結果。
fUS（functional ultrasound）是一種全新的腦功能成像技術，具有比fMRI更高的空間解析度和信噪比，另外突破性的超小探頭適合於自由活動動物的檢測。因此，相比fMRI更加適合實驗動物的腦功能檢測，已經有很多研究利用fUS技術來檢測動物行為或刺激相關的腦活動，取得了相當不錯的效果。那麼，是否也可以將其應用到藥理學相關的研究中呢，下面就通過最近發表的幾篇論文，給大家介紹一下fUS在藥物研究中的應用吧。
01，清醒小鼠上檢測ScoP對大腦灌注和功能性連接的影響
DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.117231
Scopolamine (ScoP)是一種精神活性物質，可影響膽鹼能突觸傳遞，從而影響大腦的功能。本文利用fUS技術首次在自由活動的小鼠上檢測了ScoP對大腦各區域功能性連接的影響。
圖1. fUS探頭，固定裝置，在清醒活動動物上進行腦功能記錄的情形。
為了記錄自由活動小鼠的腦功能信號，將一個支架固定在小鼠顱骨上，記錄時無需開顱，動物在一個底部帶滑珠的盒內活動。為避免動物運動對腦信號的影響，實驗中選取了動物自發靜止的時間段來進行後續的信號分析。
圖2. 注射ScoP前後功能性連接在注射後一小時內的變化。第一第二行分別選取了海馬和皮層的一個點，分析這一點與其它區域的功能性連接強弱。第三行，選取了10個腦區分析它們之間的功能性連接。
清醒小鼠皮下注射ScoP後，觀察到海馬與皮層功能性連接的增強，並且這一增強是持續性的，可維持到給藥後1小時。
圖3. 構建SVM線性模型來自動辨認藥物作用下的功能性連接圖譜。
通過機器學習的方法，根據從5隻小鼠上得到的數據構建了SVM線性模型，讓算法根據fUS掃描得到的功能性連接圖譜自動判斷是給藥前還是給藥後。用8隻小鼠進行驗證，結果發現這一SVM線性模型的辨別效果非常好(p=0.0004)。
圖4. 用不同濃度的ScoP和抑制劑來驗證SVM線性模型的自動檢測準確度
後續採用不同濃度的ScoP和一種可以抵消其作用的抑制劑milameline來進一步驗證通過機器學習得到的SVM線性模型的準確性。結果發現，SVM模型可以有效分辨出高濃度(0.5mg/kg及3mg/kg) ScoP的作用，並且這種區分可被抑制劑抵消。
以上這些結果都說明，採用fUS腦功能成像技術，僅需要很少的動物數量（5隻），就可以得到足夠的數據來建立有效的模型，自動辨認給藥前後的功能連接圖譜，並可被抑制劑抵消。這提示fUS檢測到的這種功能性連接的變化可能成為一個對相關藥物十分敏感的biomarker，在未來的藥物研究和開發中具有應用價值。
這項研究的另一個重要特色是在清醒的小鼠上完成了全部的腦功能的檢測。檢測的結果與已有的小鼠fMRI檢測結果並不一致，但與人體的一些實驗結果一致，這很可能是由於小鼠fMRI的檢測是在麻醉狀態下進行的，而人體實驗是在清醒狀態下的。能夠在清醒狀態下進行腦功能檢測是fUS技術在藥理學研究中的一個重要優勢，得到的結果更加接近生理狀態，並且和人體研究的結果具有更好的可比性。
02，利用pharmaco-fUS研究藥物atomoxetine（ATX）對中樞神經系統的影響
DOI: 10.1016/j.neuropharm.2020.108273
ATX是一種去甲腎上腺素重攝取抑制劑，臨床上被用來治療注意力缺陷多動障礙（ADHD）。這項研究利用fUS技術在麻醉大鼠上檢測腹腔注射不同濃度的ATX對大腦各區域腦血容量（CBV）的影響。
圖5. 基於腦區的分析顯示不同濃度ATX對各腦區CBV的影響。
1、基於腦區的分析
腹腔注射ATX在大腦的各個區域都引起了廣泛的CBV增加，尤其是在視皮層和丘腦，此外，外側膝狀體在給藥後也出現一個快速的CBV增加，並且這是唯一一個反應強度與給藥濃度正相關的腦區。
圖6. 不同濃度ATX對各腦區功能性連接的影響。
對感興趣腦區的功能性連接分析發現，高濃度的ATX（1mg/kg and 3mg/kg）並不影響各腦區間的功能性連接。相反，低濃度的ATX（0.3mg/kg）整體性地降低了各腦區間的功能性連接，尤其是對於亞後皮質，視皮層，海馬，外側膝狀體以及中腦之間的功能性連接，抑制作用最為顯著。
2、基於像素的分析
圖7. 基於像素的分析，a ，b顯示了採用兩種圖像處理方法得到的不同濃度ATX注射前後腦功能差異圖。
用不同的方法進行基於像素的分析，第一種方法是將原始圖像經過高斯平滑處理後直接進行分析，給藥後5分鐘與給藥前5分鐘的基線對比後得到差異圖。這一分析的結果和基於腦區的分析結果類似。第二種方法對原始數據做了去除噪音和去除無關成分的處理，類似於pharmacoMRI的圖像處理方法，同樣得到給藥前後的差異圖，可以看到去除噪音和無關成分後，三種濃度ATX對CBV影響的差別更為顯著，中等濃度的ATX對CBV影響要明顯強於低濃度和高濃度。
從實驗的結果可以看到，fUS檢測到的ATX的作用與已有的fMRI，電生理等的研究結果一致。同時也證明fUS信號對比fMRI的BOLD信號具有更高的靈敏度，比如在相似的一項fMRI研究中，在丘腦檢測到的信號變化大約為1.5-2%，而相同的情況下，fUS信號的變化在7%-12%。由於這種高靈敏度，這項研究提供了關於ATX影響皮層功能的一些新的信息，可能可以解釋ATX在臨床上的治療作用。
fUS是一項革命性的技術，目前已發表的這兩項可行性研究顯示出這一技術在藥物研究上的巨大優勢。
一是第一次實現了在自由活動動物上檢測腦功能，更好地保持了動物的正常生理狀態；
二是相比fMRI具有更高的靈敏度，能夠提供一系列全新的biomarker，期待未來這一技術能在藥物研究領域帶來更多有價值的發現。
來源：Leads Bio-Technology