光-電信號裝置及其在神經(jīng)血管耦合中的研究進(jìn)展

張雅檬，寧 雪，姚柳葉，錢志余，李韙韜*

（1.南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，南京 210016；2.南京工程學(xué)院計算機(jī)工程學(xué)院，南京 211167）

0 引言

大腦是人體最重要也是最復(fù)雜的器官，作為軀體其他器官的控制中樞，腦功能的正常發(fā)揮依賴于神經(jīng)活動和血流動力學(xué)的緊密聯(lián)系。腦組織通過血液循環(huán)來獲得氧氣和葡萄糖等。由于大腦各功能區(qū)激活時對腦區(qū)能量供給有差異性要求，因此腦血液供應(yīng)需要達(dá)到較高要求，否則將造成嚴(yán)重后果[1]。一方面，大腦血液供應(yīng)完全中斷超過幾分鐘，如當(dāng)中風(fēng)阻塞腦動脈或心臟驟停出現(xiàn)泵衰竭時，會導(dǎo)致無法挽回的腦損傷甚至腦死亡；另一方面，血流減少到與腦組織能量需求不匹配后，就會導(dǎo)致大腦細(xì)微變化，從而導(dǎo)致與認(rèn)知障礙相關(guān)的易發(fā)區(qū)慢性腦損傷[2]。因此，人們長期致力于研究大腦神經(jīng)活動與血流動力學(xué)的關(guān)系，即神經(jīng)血管耦合。

隨著科技的進(jìn)步，多學(xué)科交叉融合為腦科學(xué)的發(fā)展提供了新的手段。其中，光-電信號裝置作為神經(jīng)科學(xué)研究的重要手段，具有較好的時間-空間分辨力，并可從微觀的神經(jīng)元研究跨到宏觀的血流動力學(xué)研究，多尺度、多模態(tài)地研究大腦神經(jīng)血管耦合。因此，本文重點(diǎn)介紹光-電信號裝置及其在神經(jīng)血管耦合中的研究進(jìn)展，探討光-電信號裝置應(yīng)用于神經(jīng)血管耦合研究的優(yōu)勢和局限性，以期為腦疾病診斷和療效評估提供一個新的方向。

1 神經(jīng)血管耦合的研究進(jìn)展

神經(jīng)血管耦合指的是大腦的神經(jīng)電位活動與血管之間的動態(tài)信息交流機(jī)制，其結(jié)構(gòu)包含神經(jīng)元細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等組織，強(qiáng)調(diào)血流與神經(jīng)細(xì)胞兩者之間的緊密聯(lián)系[3]。神經(jīng)血管耦合的研究始于19 世紀(jì)晚期，如圖1 所示[4]。早在1890 年，Roy 等[4]觀察到腦窒息或腦低氧期間釋放出的代謝產(chǎn)物會擴(kuò)張腦血管。1950 年，F(xiàn)regang等[5]通過一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腦代謝底物和腦血流量之間存在耦合效應(yīng)，并提出了神經(jīng)血管耦合的假說。自此，大量神經(jīng)血管耦合的研究逐漸展開。2001 年，神經(jīng)血管耦合在國際神經(jīng)科學(xué)大會上由腦卒中評估小組正式提出并確立后，呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，基于神經(jīng)血管耦合主題的文獻(xiàn)數(shù)量由2001 年的不足100 篇發(fā)展到2017 年的6 500 多篇[6]。自此，神經(jīng)血管耦合吸引了神經(jīng)科學(xué)家的目光，而后在技術(shù)、方法和理論上都取得了長足的進(jìn)步，并廣泛應(yīng)用于大腦認(rèn)知功能的各方面以及多種神經(jīng)功能疾病的研究。

圖1 神經(jīng)血管耦合概念的研究發(fā)展史[4]

在神經(jīng)退行性疾病研究中，Thomas 等[7]發(fā)現(xiàn)Aβ蛋白造成神經(jīng)元的表達(dá)障礙，且損傷內(nèi)皮細(xì)胞造成血管收縮，加劇阿爾茨海默癥的癥狀。隨后Niwa 等[8]發(fā)現(xiàn)不同組別小鼠腦血管的功能性充血程度與大腦中的Aβ 蛋白含量相關(guān)，即Aβ 蛋白調(diào)節(jié)神經(jīng)血管單元中的內(nèi)皮功能并改變腦血流量。Martin 等[9]發(fā)現(xiàn)額顳葉癡呆的主要特征是星形膠質(zhì)細(xì)胞的增生和損傷，且星形膠質(zhì)細(xì)胞的退化與腦血流量呈負(fù)相關(guān)，說明膠質(zhì)細(xì)胞的損傷與血流速度直接相關(guān)。Guan 等[10]在研究帕金森病晚期時，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞核的損傷會導(dǎo)致毛細(xì)微血管的通透性變大。在腦功能研究中，劉睿旭等[11]通過對側(cè)運(yùn)動區(qū)的重復(fù)經(jīng)顱磁刺激，發(fā)現(xiàn)腦功能區(qū)興奮性與神經(jīng)血管耦合相關(guān)，通過改變刺激電極的電流頻率，激活了大鼠腦功能區(qū)并發(fā)現(xiàn)相應(yīng)腦區(qū)血氧消耗明顯增加。

綜上所述，血腦屏障的損傷可造成神經(jīng)血管耦合特性改變，引起腦血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和認(rèn)知障礙等發(fā)生，威脅人類健康。通過光-電信號裝置研究神經(jīng)血管耦合對于疾病監(jiān)測和神經(jīng)科學(xué)發(fā)展具有重要意義，因此，本文重點(diǎn)對此進(jìn)行綜述。

2 光-電信號裝置及其在神經(jīng)血管耦合中的研究進(jìn)展

2.1 電生理信號采集系統(tǒng)

電生理信號采集系統(tǒng)一般由神經(jīng)信號放大器、信號處理器、穩(wěn)壓電源和微電極等組成。當(dāng)微電極被植入動物腦區(qū)后，動物腦功能區(qū)的神經(jīng)元電位信號可通過信號放大器放大，再經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過濾波去噪等信號處理獲取神經(jīng)元場電位信號和神經(jīng)元鋒電位信號。目前，比較成熟的電生理信號采集系統(tǒng)有Blackrock 公司的Cerebus 多通道神經(jīng)信號采集系統(tǒng)和Plexon 公司的OmniPlex在體多通道神經(jīng)信號采集系統(tǒng)[12]。

在電生理信號采集中，微電極作為記錄神經(jīng)信號的最初傳感端，是電生理信號采集系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)多種不同類型的微電極。金屬絲微電極從20 世紀(jì)中期開始就被應(yīng)用于記錄神經(jīng)元電信號，是最常見的微電極之一[13]。金屬絲微電極陣列具有體積小、記錄點(diǎn)多、植入方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于在體大鼠等哺乳類動物神經(jīng)元場電位信號和鋒電位信號的記錄。

常用微電極陣列分為水平型和垂直型2 種，水平型記錄點(diǎn)位于記錄桿的尖端，適合用于大腦皮層淺表組織的神經(jīng)信號檢測；垂直型記錄點(diǎn)依次排列在記錄桿上，適合于深部腦組織的記錄，其中Utah電極和Michigan 電極最典型[14-15]。Utah 電極（如圖2所示）在4 mm×4 mm 的硅基板上集成了100 根針形微電極，每根電極軸長度為1.5 mm，尖端由鉑金包裹，阻抗范圍為100～800 kΩ，電極軸的間距為400 μm，該電極主要應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)和腦機(jī)接口[16]。

Przedborski[17]通過微電極裝置植入腦干，發(fā)現(xiàn)特發(fā)性帕金森病中運(yùn)動功能障礙和認(rèn)知障礙都始于腦干的黑紋狀體傳導(dǎo)路徑，且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)細(xì)胞活動導(dǎo)致與其接觸的內(nèi)皮細(xì)胞功能異常。Voytek等[18]通過電生理信號采集系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)大鼠AD 模型中腦干-前腦基底節(jié)、丘腦-皮層、皮質(zhì)半球內(nèi)-半球間3 個通路神經(jīng)的鋒電位發(fā)放都存在去耦合現(xiàn)象。此外，通過腦功能成像裝置的聯(lián)合研究，研究人員發(fā)現(xiàn)神經(jīng)信號通過神經(jīng)血管耦合直接或間接作用于局部血管來調(diào)節(jié)腦血流量，以維持腦微循環(huán)平衡，如黃明亮[19]采用微電極陣列和內(nèi)源光信號裝置研究了體感運(yùn)動區(qū)的神經(jīng)血管耦合，利用格蘭杰因果分析提出了神經(jīng)調(diào)控關(guān)系。

圖2 Utah 電極[16]

總之，電生理信號采集系統(tǒng)的發(fā)展使大腦神經(jīng)的系統(tǒng)研究逐漸深入到細(xì)胞層次，該系統(tǒng)是揭示神經(jīng)血管耦合機(jī)理、治療神經(jīng)疾病和促進(jìn)神經(jīng)康復(fù)的重要工具。

2.2 光子顯微熒光成像系統(tǒng)

光子顯微熒光成像的原理是神經(jīng)元通過熒光指示劑和膜蛋白的結(jié)合，能夠直接測量顯示神經(jīng)元上膜電壓的變化，但并不是所有的指示劑都具有良好的信噪比，目前應(yīng)用最為廣泛的測量神經(jīng)元活動的指示劑是鈣離子指示劑。1990 年，Denk 團(tuán)隊開發(fā)了世界上第一臺雙光子激光掃描顯微鏡，其可對神經(jīng)元活動成像，此后光子熒光成像就以其侵入性低、穿透性高、空間分辨力高等優(yōu)勢走進(jìn)人們的視野[20]。

近年來，隨著熒光標(biāo)記物和顯微成像技術(shù)的不斷發(fā)展，光子顯微熒光成像系統(tǒng)也在高速發(fā)展。根據(jù)其采用的主要技術(shù)原理，大體分為如下幾類：光片顯微熒光成像系統(tǒng)、單光子顯微熒光成像系統(tǒng)、多光子顯微熒光成像系統(tǒng)以及在這些基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的成像系統(tǒng)。其中以雙光子顯微熒光成像系統(tǒng)應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最為廣泛和普遍。當(dāng)前，商用比較出名的是Inscopix 公司的nVoke 單光子顯微熒光成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時結(jié)合光遺傳學(xué)中的神經(jīng)光調(diào)控和大視野鈣離子成像[21]。

2011 年，Truong 等[22]首次提出雙光子光片顯微鏡的概念并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其在空間分辨力、成像深度和成像速度方面的優(yōu)勢。2014 年，Zong 等[23]發(fā)明了高分辨力下最大成像視場的三軸掃描雙光子光片顯微鏡系統(tǒng)，如圖3 所示。Kim 等[24]使用雙光子顯微熒光成像系統(tǒng)進(jìn)行大視場成像，通過人造的水晶顱骨片同時觀測到最多30～40 個神經(jīng)元腦區(qū)，達(dá)到了亞細(xì)胞級別的分辨力，揭示了自由活動小鼠清醒狀態(tài)下的神經(jīng)鈣離子動態(tài)活動。Li 等[25]通過雙光子顯微熒光鈣離子成像，結(jié)合在體光纖系統(tǒng)，在簡單聽覺聯(lián)想測試實(shí)驗(yàn)中首次驗(yàn)證了聽覺皮層Au1 區(qū)的小鼠預(yù)期行為反應(yīng)，并將其應(yīng)用于神經(jīng)血管耦合的研究。

當(dāng)前，光子顯微熒光成像系統(tǒng)已被越來越多地應(yīng)用到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中，以其高空間分辨力和固有的光學(xué)層析能力的優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞級別的多種熒光團(tuán)的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，可對生物組織功能精確定量表征，是神經(jīng)血管耦合研究取得突破的重要研究系統(tǒng)之一。

圖3 三軸掃描雙光子光片顯微鏡系統(tǒng)光路示意圖[23]

2.3 激光散斑成像系統(tǒng)

激光散斑是一種光學(xué)干涉相關(guān)現(xiàn)象，散斑圖案形成是因?yàn)槭芗す庹丈涞奈矬w表面會隨機(jī)產(chǎn)生散射的顆粒狀圖樣，并且物體表面的顆粒移動會導(dǎo)致散射光的相位平移，進(jìn)而改變隨機(jī)干涉模式，從而造成散射顆粒形成特有的動態(tài)散斑。自20 世紀(jì)90 年代以來，研究人員通過改進(jìn)激光散斑成像系統(tǒng)，將其應(yīng)用于生物流速檢測的成像領(lǐng)域[26]。

1981 年，F(xiàn)ercher 等[27]基于散射特性首先將洛倫茲譜型的速度分布應(yīng)用于激光散斑襯比成像技術(shù)。目前，比較成熟的激光散斑成像系統(tǒng)是英國MoorLab公司的血流成像系統(tǒng)和瑞典Perimed 公司的激光多普勒成像系統(tǒng)[28-29]。激光散斑成像系統(tǒng)一直在改進(jìn)之中。Qiu 等[30]通過改進(jìn)相機(jī)的曝光時間、暗噪聲以及采用線陣掃描算法，提高散斑成像的分辨力和運(yùn)算速度，改進(jìn)了成像系統(tǒng)，并將其運(yùn)用在大鼠擴(kuò)散性皮層抑制（cortical spreading depression，CSD）的研究中，發(fā)現(xiàn)CSD 過程中胞內(nèi)pH 會經(jīng)歷一個快速酸化及小幅堿化的變化過程，并伴隨有軟腦膜動脈血管的舒張、皮層的充血、腦脊液（cerebrospinal fluid，CSF）和含氧血紅蛋白（HbO2）、脫氧血紅蛋白（HbR）濃度的改變。Miao 等[31]采用嵌入式處理器和電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）設(shè)計了一種微型化激光散斑成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以固定在研究動物的身上，可用于觀測清醒狀態(tài)下大鼠的血流速度。Yuan 等[32]通過激光散斑成像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)腦中風(fēng)導(dǎo)致的CSD 會引起腦血流量變化。Sivakumar 等[33]采用高幀頻相機(jī)改進(jìn)了多曝光激光散斑成像系統(tǒng)，該高幀頻相機(jī)的傳感器以全局快門的模式運(yùn)行，以超過30 f/s 的幀率采集圖像，其血流成像圖像可達(dá)到視頻合成的時間分辨力。

2.4 內(nèi)源光信號成像系統(tǒng)

光學(xué)內(nèi)源信號是指在不對組織施加外源染料情況下，組織本身的自發(fā)光學(xué)特性改變而被采集到的信號。腦組織的吸收特性和多種生色團(tuán)有關(guān)，包括HbO2、HbR、細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞色素氧化酶、神經(jīng)遞質(zhì)等。腦區(qū)神經(jīng)活動會引起局部HbO2和HbR 濃度的變化，從而改變腦組織的吸收特性，因此光學(xué)內(nèi)源信號是對神經(jīng)元電活動的間接表達(dá)。

多光譜內(nèi)源光信號成像系統(tǒng)主要包括寬帶光源、濾光片、立體顯微鏡頭和CCD 相機(jī)。在成像采集中，可通過改變?yōu)V光片來改變實(shí)驗(yàn)中的照射光波長。目前，尹翠[34]采用液晶可調(diào)諧濾波器（liquid crystal tunable filter，LCTF）將采樣時間縮短到50 ms 以內(nèi)，且可在400～720 nm 波長范圍內(nèi)以1 nm 步長隨意轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)自動控制濾光片，并設(shè)計了實(shí)時內(nèi)源光信號的高速采集系統(tǒng)，首次同時監(jiān)測到小鼠在體CSD 過程中HbO2、HbR、黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenosine dinucleotide，F(xiàn)AD）、細(xì)胞色素氧化酶的變化。Schwartz 等[35]通過設(shè)計2 條獨(dú)立的掃描臂，采用分時復(fù)用共享光纖和光學(xué)器件，可相對同步地采集血液動力學(xué)中的氧分壓[p（O）2]、腦血流量、HbO2、HbR 以及還原型輔酶（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和鈣離子波動，如圖4 所示。

圖4 多模態(tài)光學(xué)設(shè)備圖[35]

內(nèi)源光信號成像系統(tǒng)的研究主要集中在神經(jīng)功能活動方面，特別是針對神經(jīng)血管耦合的研究。1949年，Hill 等[36]首先在離體的海蟹神經(jīng)纖維上觀察到神經(jīng)活動，并發(fā)現(xiàn)其會造成光散射的增強(qiáng)。隨后，Cohen等[37]在分離的神經(jīng)纖維上發(fā)現(xiàn)光散射增強(qiáng)與魷魚軸突的動作電位相關(guān)。Lu 等[38]通過提高內(nèi)源光信號成像系統(tǒng)的時間分辨力，成功采集到實(shí)驗(yàn)猴視覺刺激后的神經(jīng)活動反應(yīng)和血流的瞬時關(guān)聯(lián)反應(yīng)，說明高時空分辨力的內(nèi)源光信號裝置可應(yīng)用于清醒狀態(tài)下動物行為實(shí)驗(yàn)瞬時反應(yīng)研究。同時，內(nèi)源光信號成像系統(tǒng)也應(yīng)用于臨床相關(guān)的病例學(xué)研究。Schwartz 等[39]應(yīng)用神經(jīng)遞質(zhì)阻斷劑誘導(dǎo)雪貂皮層癲癇的模型，在體研究內(nèi)源光信號成像結(jié)果，與光學(xué)成像同時進(jìn)行的電生理記錄證實(shí)了所記錄到的光反射信號變化在空間上與產(chǎn)生放電神經(jīng)元的總量相關(guān)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等技術(shù)在人體癲癇病灶變化中的研究結(jié)果有很好的一致性。胡學(xué)斌[40]利用多光譜內(nèi)源光信號系統(tǒng)研究了大鼠CSD 的產(chǎn)生、發(fā)展和傳播過程，并結(jié)合電生理信號采集系統(tǒng)驗(yàn)證了CSD 對大鼠腦缺血性損傷的保護(hù)作用。

2.5 光聲成像系統(tǒng)

光聲成像是一種較新的成像方法，其基于光聲效應(yīng)原理，無創(chuàng)地獲取物體二維斷層或三維立體的成像。光聲效應(yīng)是指物體受到短脈沖高強(qiáng)度激光照射后，物體內(nèi)部將會產(chǎn)生周期性變化的現(xiàn)象，并可被超聲探頭探測。目前，已上市的光聲成像系統(tǒng)有美國TomoWave 公司的小動物成像系統(tǒng)[41]和德國iThera Medical 公司的醫(yī)用光聲成像系統(tǒng)[42]。

光聲成像由于無創(chuàng)、無輻射且具有較高分辨力的特點(diǎn)，是近年來人們研究的熱點(diǎn)。Zhang 等[43]將高分辨力（150 μm 空間分辨力）光聲成像系統(tǒng)首次應(yīng)用于癲癇病發(fā)作的成像中，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)神經(jīng)成像方式相比，其具有超高的空間分辨力。Li 等[44]采用高強(qiáng)度近紅外染料標(biāo)記間充質(zhì)干細(xì)胞，通過采用光聲成像系統(tǒng)研究了腦屏障通透性和小鼠腦損傷恢復(fù)性，發(fā)現(xiàn)腦損傷恢復(fù)與神經(jīng)血管耦合相關(guān)，如圖5 所示。楊思華等[45]通過搭建一套旋轉(zhuǎn)掃描光聲成像采集系統(tǒng)對腦損傷動物進(jìn)行在體成像檢測研究，并進(jìn)一步定量腦損傷程度與血腦屏障的關(guān)聯(lián)性。Bi 等[46]通過光聲成像系統(tǒng)觀察了康普瑞啶磷酸二鈉作用于腦內(nèi)接種原位膠質(zhì)瘤的小鼠，通過對神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和血管壁的神經(jīng)血管耦合單元監(jiān)測，從而驗(yàn)證出該藥物對于神經(jīng)微血管的血管關(guān)閉和恢復(fù)調(diào)控作用。

圖5 顱腦損傷后小鼠的自然恢復(fù)過程檢測[44]

血液中的血紅蛋白是可見光和近紅外范圍波段的主要吸收物質(zhì)，采用該波段激光的光聲成像技術(shù)可應(yīng)用于腦血管結(jié)構(gòu)和功能研究中。Hu 等[47]采用三脈沖激發(fā)光建立快速光聲顯微鏡系統(tǒng)，可同時采集到血紅蛋白濃度、血流速度和血氧飽和度。Liu 等[48]基于拉曼散射單波長改進(jìn)光聲成像系統(tǒng)，可同時對血管結(jié)構(gòu)和HbO2濃度成像，并可實(shí)現(xiàn)腦微血管動靜脈分割。

2.6 光-電信號聯(lián)合系統(tǒng)

為了深入探究神經(jīng)血管耦合，多模態(tài)光-電信號聯(lián)合系統(tǒng)被應(yīng)用于動物模型。Liu 等[49]將16 通道微電極與功能光聲成像集成為μECoG-fPAM 系統(tǒng)，同步測定神經(jīng)元發(fā)放和血流動力學(xué)參數(shù)，用來研究腦缺血模型的神經(jīng)血管耦合。Baker 等[50]利用激光散斑成像系統(tǒng)和內(nèi)源光信號成像系統(tǒng)研究前肢刺激大鼠模型的腦血流量、血氧值、代謝產(chǎn)物，并通過瞬時誘發(fā)電位分析各參數(shù)的耦合關(guān)系。Wang 等[51]將光聲傳感器技術(shù)和腦電圖技術(shù)集成到一個小型便攜式設(shè)備，可以連接在自由活動的喚醒動物頭上，這是首次自由活動動物癲癇發(fā)作的血流動力學(xué)監(jiān)測研究。Liao等[52]采用腦皮層信號與功能光聲顯微成像技術(shù)研究大鼠的局灶性腦缺血的神經(jīng)血管耦合特性，發(fā)現(xiàn)血紅蛋白總量、腦血容量和血氧飽和度的改變與小動脈誘導(dǎo)的卒中相關(guān)，并證明了該聯(lián)合技術(shù)研究小動物腦缺血模型的優(yōu)越性。

綜上所述，光-電信號聯(lián)合系統(tǒng)測量神經(jīng)元活動和血流動力學(xué)參數(shù)能夠在時空上反映出對于多種物理刺激或者藥物作用下神經(jīng)血管耦合各參數(shù)的瞬時響應(yīng)，動態(tài)觀測到大腦的神經(jīng)活動、能量交換甚至病理變化，為神經(jīng)科學(xué)研究中認(rèn)知障礙、神經(jīng)退行性疾病和腦血管疾病診斷和監(jiān)測提供了技術(shù)手段。

3 結(jié)語

光-電信號裝置發(fā)展至今已有50 多年的歷史，已發(fā)展出多種成像方法，可實(shí)時同步地觀測神經(jīng)血管中神經(jīng)信號、血流動力學(xué)等參數(shù)的瞬時響應(yīng)，從不同的空間和時間尺度上研究腦功能活動，突破了傳統(tǒng)的影像學(xué)方法的時間分辨力較低的局限性，對于神經(jīng)血管耦合及其相關(guān)疾病機(jī)理研究有重要意義，并為腦血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和認(rèn)知障礙等疾病的診斷提供了一種全面的技術(shù)支持。

相較于傳統(tǒng)的離體免疫組化和影像學(xué)設(shè)備，光-電信號裝置依然有其局限和不足。由于光顱骨穿透性和電生理信號的放大問題，在采用光-電信號裝置研究神經(jīng)血管耦合時，依然需要有創(chuàng)操作甚至開顱，這對于長期研究腦血管疾病的動物模型以及進(jìn)一步臨床疾病監(jiān)測具有很大的限制性；此外，腦皮層組織作為一種獨(dú)特的高散射混濁介質(zhì)，光學(xué)系數(shù)如光源和入射角度的改變都會對系統(tǒng)成像的信噪比有影響，導(dǎo)致獲得的個體信號強(qiáng)度存在較大差異性，并且獲得的圖像和信號定標(biāo)存在一定困難，甚至很難定量分析神經(jīng)血管耦合參數(shù)；同時對于需要熒光標(biāo)記使用的光子顯微熒光成像，其關(guān)鍵核心依然是熒光蛋白標(biāo)記，因此很難應(yīng)用于臨床研究。

隨著神經(jīng)科學(xué)和工程科學(xué)的發(fā)展以及光學(xué)材料的改進(jìn)和技術(shù)進(jìn)步，光-電信號裝置的成像深度、時間分辨力和空間分辨力都將會逐步提高，從而建立神經(jīng)血管耦合的量化模型，為在體腦血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和認(rèn)知障礙疾病的監(jiān)測和診斷提供指導(dǎo)方案。由于神經(jīng)血管耦合中神經(jīng)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和血管細(xì)胞相互作用，其分子間復(fù)雜協(xié)調(diào)工作尚不明確，采用光-電信號聯(lián)合系統(tǒng)和傳統(tǒng)方法共同研究，通過建立特定神經(jīng)血管耦合參數(shù)與生化組織參數(shù)的關(guān)聯(lián)量化模型，可為神經(jīng)血管耦合研究提供新的思路。另外，不同模態(tài)的光-電信號技術(shù)更新也會促進(jìn)光-電信號聯(lián)合系統(tǒng)的融合和發(fā)展，從不同尺度觀測大腦的神經(jīng)活動、能量交換甚至病理變化，從而為神經(jīng)科學(xué)研究中的認(rèn)知障礙、神經(jīng)退行性疾病和腦血管疾病機(jī)理研究和臨床監(jiān)測提供新的方向和工具。