發布日期：2019-04-26
信息從感覺器官輸入，在腦內傳遞和處理，最終產生記憶、情緒和行為。然而，目前腦科學家們探索大腦奧秘，卻沒有完整的“大腦交通圖”可以參考。4月25日，浙江大學醫學院系統神經與認知科學研究所教授王菁團隊在《科學?進展》雜志上發表文章，獲得腦網絡研究方法的新突破。
他們借助7T功能磁共振系統（fMRI）的巨大成像優勢，并結合紅外光神經刺激，開發出紅外光神經刺激功能磁共振整合技術（INS-fMRI），并首次在活體腦中獲得亞毫米級的腦連接組，使我們能更快速、更系統、更清晰地看清“大腦交通圖”，了解信息的傳遞。
“就好比，我們不僅能知道一個快遞從杭州市浙江大學某實驗樓出發到了北京市，還能知道它到的是哪個轄區，哪條街道，甚至哪幢樓的哪一樓層”，文章的第一作者徐國華介紹說。
以往用于繪制腦連接的解剖學方法，通常是在大腦的幾個起始位置注射染料，需要幾周的時間讓染料運輸并給神經連接“上色”。
此次王菁團隊發明的新技術結合了激光刺激和磁共振功能成像，快速地以三維形式呈現，在1-2小時的掃描中即可獲得腦功能連接的初步結果，極大地方便了研究全腦尺度各腦區的響應程度，可以在單天實驗中快速進行連接組的研究。徐國華介紹說：“與其慢慢地給公路上色，不如從杭州寄出一堆快遞，在很快的時間內我們就可以知道它們都到了哪些城市。”
“另外，INS-fMRI技術的好處，不只是快速，還在于方便了活體研究，大大減少使用動物的數量，并且可以對同一動物進行多次、持續的跟蹤研究，例如研究大腦發育。
早年，王菁受到人工耳蝸研究中啟用激光代替電流激活神經元的啟發，開始了這方面研究，成為最早將紅外光刺激引入到大腦研究中的科學家。這一轉變的意義在于紅外光脈沖將能量傳遞到極小的空間，從而實現精準刺激，并引起連接點響應的空間特異性。
他們的研究實現了高空間分辨率。當使用超高場（7特斯拉）磁共振成像時，這些響應位置可以在亞毫米級分辨率上呈現。“我們將紅外光這一刺激方法與功能磁共振相結合，并在世界上首次提出了這一實驗方法。”王菁說。
“該方法可以被用于系統性地逐個刺激皮層功能柱，從而全面地描繪靈長類亞毫米水平連接組。”王菁介紹說，這項新技術將為繪制高分辨率功能柱的全腦網絡圖奠定基礎，為大規模全腦功能連接研究開啟大門。通過厘清各個功能柱之間的連接，將極大地幫助我們理解靈長類大腦的工作原理以及腦疾病，將促進神經科學、心理學、醫學和人工智能等領域的發展。
在文章中，課題組報道了兩個應用范例，分別對應研究全腦尺度的長程連接，以及局部范圍內的高分辨率短程連接。實驗證明了這一新方法的應用將可能幫助我們深入理解大腦的連接方式和工作原理，繼而更好地理解疾病和精準調控相關腦結構和功能。
相關論文信息：https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaau7046
來源：科學網
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