酸素供給を可視化―脳血管とニューロンの動的な連動を捉える新しいイメージング技術(Oxygen delivery on display)

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2026-09-09 ワシントン大学セントルイス校

ワシントン大学セントルイス校の研究チームは、二光子顕微鏡(TPM)と光音響顕微鏡(PAM)を統合し、神経細胞の活動と赤血球による酸素供給を同時に細胞レベルで観察できる新しい脳イメージング技術を開発した。二光子顕微鏡で神経細胞のカルシウム活動を、光音響顕微鏡で血流や血液の酸素化を測定し、覚醒マウスの脳で単一ニューロンの活動と個々の赤血球からの酸素放出を同時記録することに成功した。さらに、レーザーで単一毛細血管を遮断したり単一ニューロンを刺激したりし、その直後の周辺細胞・血管の変化を追跡することで、神経活動と酸素供給の因果関係を調べられることを示した。光路を妨げない透明なポリマー製マイクロリング共振器を音響センサーとして用いる点も技術的特徴である。脳卒中や神経変性疾患における神経血管カップリングの解明や、fMRI信号の理解向上への応用が期待される。

酸素供給を可視化―脳血管とニューロンの動的な連動を捉える新しいイメージング技術(Oxygen delivery on display)
The image shows neuronal calcium activity (green) and vascular hemoglobin concentration (red). A new microscopy technique developed at WashU can show how the brain’s red blood cells deliver oxygen to its neurons, a tool that could better enable research on stroke and dementia. (Image: Song Hu)

<関連情報>

単一細胞神経代謝イメージングのための統合型二光子顕微鏡および光音響顕微鏡 Integrated two-photon and photoacoustic microscopy for single-cell neurometabolic imaging

Jiaxiao Han,Youngseop Lee,Ziang Feng,Yue Wu,Zhuoying Wang,Allison Martinez Mejia,Adam Bauer,Manu Goyal,Jin-Moo Lee,Peinan Zhao,Hao F. Zhang,Cheng Sun & Song Hu
Nature Communications  Published:15 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75603-7

Abstract

Understanding how neuronal activity couples with local energy metabolism is fundamental to brain function. Oxygen exchange between individual neurons and red blood cells (RBCs) is central to this process, yet no existing method can simultaneously capture their dynamics at single-cell resolution in vivo. Here, we introduce integrated two-photon and photoacoustic microscopy (TPM-PAM), which enables real-time imaging of single-neuron calcium activity alongside oxygen release from individual RBCs in awake mice. In TPM-PAM, a transparent micro-ring resonator-based ultrasound sensor breaks the long-standing tradeoff between optical access and acoustic sensitivity, while dual-wavelength kymography simultaneously quantifies single-RBC oxygenation and flow to derive the oxygen release rate. Incorporating nonlinear optical manipulation of the neurovascular unit with cellular precision, TPM-PAM reveals distinct neurometabolic responses to whisker stimulation, single-capillary occlusion, and single-neuron stimulation. This work establishes a powerful platform for dissecting neurometabolic coupling at the cellular scale and understanding oxygen-metabolic regulation in brain health and disease.

医療・健康
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