超越生命:探索死后小鼠大脑的血液动力学模式
来自芬兰的科研团队利用激光散斑对比成像(LSCI)来观察小鼠在心跳骤停时和骤停后的脑血流情况。通过分析LSCI图像,注意到死后数小时内大脑表面血流的时间变化。快速傅立叶变换(FFT)分析描述了死亡后的血流和微循环衰减。连续小波变换(CWT)确定了潜在的脑血流动力学同步模式。
此外,非负矩阵因式分解(NMF)用四个分量分割LSCI图像,揭示了结构分量随时间的变化。这种综合LSCI、FFT、CWT和NMF的方法为研究脑血流动力学提供了一个全面的工具,隐喻了 "隧道尽头"的体验。
研究结果表明,嗅球存在主要的死后血液动力学活动,随后血液微流通过上矢状窦在躯体感觉和视觉皮层区域之间重新定位。这种方法为探索这些现象开辟了新的途径,有可能将神经科学的洞察力与围绕生命终结时的意识和感知的奥秘联系起来。
有史以来,"隧道尽头的曙光 "这一神秘体验一直吸引着科学界和公众。心脏骤停后的神经生理学研究发现,大鼠的脑电信号有条理,而人类脑电图(EEG)读数则有独特的慢波模式,这种现象通常被称为 "死亡之波"。这些发现只是开始揭示死亡过程中和死亡后大脑活动的复杂性,甚至在临床宣布死亡10min后,仍能观察到类似于深度睡眠中的电活动。此外,最近的发现表明,在死亡数小时后,大脑微循环和细胞功能有可能在死后复苏。
除了这些观察结果,近年来人们越来越关注临终阶段缺氧时神经血管的变化。对濒死患者在停止机械通气前后的脑电图数据进行分析的研究发现,在某些情况下,整体缺氧会刺激γ活动。然而,这些观察结果的潜在机制和生理意义,包括与死后大脑血流动力学相关的机制和意义,在很大程度上仍不清楚。
为了进一步探索和弥合这些初步观察结果与深入了解死后大脑活动之间的差距,来自芬兰的科研团队采用了专门为经颅光学血管成像(nTOVI)开发的激光散斑对比成像(LSCI)方法,研究心脏停跳后脑血流动力学的改变,观察小鼠在心跳骤停时和骤停后的脑血流情况。
近年来,LSCI(激光散斑血流成像技术)作为一种脑功能绘图方法在神经生物学领域崭露头角。这种方法基于对斑点模式模糊效应的分析。当物理上不均匀的表面被相干光照射时,光电探测器可以收集到相干光干涉产生的大量斑点信息。如果表面扫描和光电探测器的特性能提供足够的速度,这种方法就能描绘出图像中每个点的大脑功能特征。在生物和医学研究中,通常会使用远红外或近红外激光,这样光子可以更深地穿透皮层组织。
在本次研究中,来自芬兰的科研团队使用了LSCI激光散斑血流成像系统,它是是一种便携、高效的无创成像技术,被广泛用于监测血液灌注的功能和形态变化,以及体内大脑、肿瘤和皮肤组织的相对血流变化。
LSCI激光散斑血流成像图像的时间序列显示了大脑表面血流空间分布的时间变化,如图1第1行所示。使用FFT对这些图像进行分解,可以捕捉到动物死亡后血流和微循环振荡的衰减,如图1第2行所示。
考虑到记录的LSCI激光散斑血流成像图像集的非稳态性质及其统计特性随时间的变化,来自芬兰的科研团队应用CWT来研究显示整个脑表面空间和/或时间同步的脑血流动力学模式的出现(见图1第3行)。此外,我们还采用NMF对LSCI图像进行分割,这有助于在不同的、划界的微观结构模式中识别可解释的关系,以便进行功能评估,详见图1第4行。
图1. 在心脏骤停后的不同时间间隔,分别通过 LSCI(第一行)、FFT(第二行)、CWT(第三行)和 NMF(第四行)获得的小鼠大脑彩色编码图像。视频 S1 显示了 LSCI、FFT、CWT 和 NMF 的完整时间序列。时间间隔是根据下文讨论的 NMF 分量分析选定的。
为了有效描述死后脑血流动力学特征并划分其特征,我们选择了四个NMF成分,在稳定性和准确性之间取得了平衡。这些成分代表了脑血液微循环中微结构差异的独特模式,对它们的时间分析为了解血液动力学定位在空间和时间上的复杂性和异质性提供了深刻的见解。因此,NMF方法有助于识别不同的微结构成分,加深我们对特定皮层区域血液动力学模式形成及其功能影响的理解。图2显示了这四种NMF成分的彩色编码表示及其随时间的综合加权空间分布。
图2. (A) LSCI图像的时间序列和四个NMF分量(分别为红色、绿色、蓝色和灰色)的相应彩色编码图像;(B) 四个彩色编码NMF分量的合并图像。视频 S1d 显示了合并后的四个 NMF 分量的空间分布动态;(C)NMF 分量在合并分布中的加权贡献随时间变化的情况;显示了氧饱和度(SpO2) 指右轴的相应值。(D) 相应的小鼠大脑神经元活动主要区域图: A: 听觉皮层; M: 运动皮层; OB: 嗅球;SS:躯体感觉皮层; V: 视觉皮层。比例尺为 1 mm。
小鼠死后获得的LSCI激光散斑血流成像图像的时间序列以及使用FFT、CWT和NMF处理的图像显示,脑血流的分布高度非均质,具有明显的空间和时间血流动力学定位(见图1和图2,以及相关视频S1)。以往的研究表明,血流动力学变化与神经活动(也称为神经血管耦合)之间存在密切的空间关系,与此相一致的是,已确定的脑血流和血液微循环定位与已确认的解剖模板和相应的神经解剖域进行了比较。
视频S1
通过LSCI、FFT、CWT和NMF得出的结果(见图1和图2,以及视频S1)清楚地显示了嗅球的主要血流定位。此外,在上矢状窦的帮助下,还观察到死后收缩期微血流定位在躯体感觉区和视觉皮层区之间连续交替移动。除了FFT和CWT得出的结果(见图1和视频S1)外,NMF还能识别结构子组件的时间变化,这些结构子组件表现出连贯的演变,而不受解剖学划分的限制(见图2和视频S1)。
利用LSCI激光散斑血流成像以及NMF、FFT和CWT等技术对死后大脑血流动力学进行分析,揭示了大脑不同部位在血液循环和氧气供应停止后停止运作的错综复杂的过程。初步研究结果表明了潜在的影响顺序:
对基本感知至关重要的初级感觉区域很可能首先受到影响,因为它们对缺氧的敏感性更高,这一点可以从这些区域在死后立即观察到的主要血液动力学活动中得到证明。
其次是负责复杂处理和协调的高阶感觉和运动区域受损,这与在这些区域检测到的血液动力学强度的重新分布是一致的。对高级认知功能至关重要的联想区最初表现出恢复能力,但会逐渐屈服于缺氧,这种模式可通过NMF成分确定的时间变化进行追踪。
最终,与执行功能密不可分的额叶是最后受到影响的区域,这与后期观察到的血液动力学变化相关。但必须认识到,这一顺序并不是绝对的,在不同物种和不同条件下可能会有所不同。
使用脑部光学成像方法(包括LSCI激光散斑血流成像)可以精确捕捉脑死亡期间和之后发生的这些错综复杂的生物过程。必须认识到,通过LSCI激光散斑血流成像观察到的光学相关性将描述脑死亡发生前后明显不同的过程。
事实证明,采用这种综合方法有助于阐明生命末期大脑中感觉处理和血流动态之间复杂的相互作用。它为解释神经活动的微妙变化提供了一个强大的框架,并为可视化和理解这些现象提供了一个全面的工具。这种创新方法的融合为探索脑血流动力学和死后感官体验开辟了新途径。
它有可能弥补我们在神经科学认识上的重大差距,尤其是在生命终结时意识和感知的神秘方面。从这项研究中获得的洞察力不仅增强了我们对小鼠大脑生理学的理解,而且还为未来的研究奠定了基础,使这些研究成果能够推广到更广泛的生物学和哲学领域。