通过无标记细胞追踪实现的超分辨功能性光声显微镜

看到大脑最微小的血液通道

大脑的健康依赖于无数微小血管向繁忙的神经细胞输送氧气。到目前为止，科学家还无法在不添加染料或标记的情况下，以三维方式在单个红细胞水平上观察这些氧气交通。该研究提出了一种新的成像方法，能够做到这一点，为更清晰地理解中风和其他脑病如何扰乱大脑的氧气供应打开了大门。

一种用光“倾听”的新方法

研究人员构建了一种基于光声学的显微镜，这种技术通过极短的激光脉冲使血液中吸光分子微微升温，从而发出超声波。与传统超声传感器不同，他们制作了一个透明微环谐振器——一个放在透明芯片上的微小光学环——并将其置于颅骨的一扇窗上。激光通过这个环进入大脑，返回的超声会细微改变环中光的循环方式。通过读取这些变化，系统将其转换为血管和红细胞携带氧气的详细图像，且无需注入任何对比染料。

在三维中追踪单个血细胞

常规光声显微镜在从上方观察时可以清晰地区分单个红细胞，但在组织深度方向上会混在一起。作者通过以每秒一千帧的速度快速重复进行薄层横截面扫描来解决这一问题，然后在帧与帧之间数字化追踪每个红细胞的运动。通过在数百个扫描中追踪这些路径，他们将“点对点”连接成一个超清晰的三维微血管网络地图。同时，他们使用两种不同波长的激光来区分富氧和缺氧血红蛋白，从而计算每一小段血管的氧饱和度。

与金标准显微镜相媲美

为证明他们的新方法——称为超分辨功能性光声显微镜（SR‑fPAM）——确实准确，团队将其与需要荧光染料的更具侵入性的二光子显微镜直接比较。在观察小鼠皮层的相同区域时，他们发现SR‑fPAM在三维上几乎以相同的精细程度分辨出血管和毛细血管，尺度甚至达到单个红细胞。仔细分析显示，新图像中血管的形状和位置与二光子成像高度一致，但SR‑fPAM还原生地提供了关于血液含氧量和流向的信息，无需额外标记。

观察微小中风如何重塑血流

随后研究人员使用SR‑fPAM观察当表面的一条小动脉被有意阻塞——作为微小中风模型——时大脑微血管的响应。他们实时看到了哪些附近血管完全失去血流、哪些血管发生了流向逆转，以及阻塞前后红细胞移动的速度变化。更重要的是，他们测量了停滞血管中氧含量的下降以及当其他通路接替供应时的恢复情况。图像揭示了复杂的三维血流与氧气输送的旁路重组过程，即大脑动员替代路线以保护受威胁的组织。

对大脑健康的意义

通过将无标记成像、单细胞级细节和结构、流动与含氧信息的完整三维覆盖相结合，SR‑fPAM填补了科学家研究活体大脑方式的一大空白。它提供了一种不仅能看到血流去向，还能评估在健康、卒中及其他病况下最细微血管中氧气输送效率的方法。未来，将该技术与神经细胞活动测量结合，可能更全面地呈现血供与脑功能如何相互关联——以及在卒中、痴呆和高血压等疾病中这一协同如何破裂。

引用: Zhong, F., Wang, Z., Lee, Y. et al. Super-resolution functional photoacoustic microscopy via label-free cell tracking. Light Sci Appl 15, 146 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02235-3

关键词: 光声显微镜, 脑微循环, 氧代谢, 神经血管耦合, 缺血性卒中