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浙大科學家研發出活體繪制腦功能連接組的新方法

繪制“大腦交通圖”,將更快,更強,更高

發布時間:2019-04-25來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 吳雅蘭 盧紹慶224

大腦由一座座不同功能的“城市”和“大廈”組成,無數的神經連接就像“信息公路”將它們連接成網絡。基于大腦網絡,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。因此理解大腦就需要掌握“大腦交通圖”,這就好像人們出行時必須有地圖導航一樣。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。

當地時間424日,浙江大學醫學院系統神經與認知科學研究所王菁教授(Anna Wang Roe)團隊在《科學?進展》(Science Advances)雜志上發表了一項腦網絡研究方法的最新突破。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(Infrared Neural Stimulation),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。

這項研究的其他參與者還包括共同第一作者博士生錢美珍,通訊作者張孝通博士、陳崗博士和王菁博士。他們開發的INS-fMRI技術,可以在活體中研究腦網絡,其特點可以概括為更快、更強、更高。

更快

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”,然后犧牲動物制作腦片,最后進行非常耗時的圖像重建和分析。即便這樣,在一個動物中最多只能研究幾個注射位點。

此次王菁教授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。”王菁補充說。

更強

更強表現為可量化與更精準。

紅外光脈沖被0.2毫米直徑的光纖照射到目標腦區,引起該腦區及相連腦區的神經響應,也會引起相應的血氧變化。這種血氧信號能夠被磁共振功能成像捕獲。“連接強度可以經由血氧水平,量化為響應的幅度和相關性”,徐國華介紹。

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。

更高

更高表現為高空間分辨率。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。這就為研究各個皮層功能柱(“大廈”)以及皮層各個分層(“樓層”)的神經活動提供了基礎。“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。

所謂功能柱,是大腦里面的一個個信息處理單元,大小則只有0.2-0.3毫米。靈長類動物(包括人類)的大腦均由這些功能柱整齊排布而成;每個功能柱恰好又對應特異的認知功能,互相之間連接成網絡。因此,對于包括人類在內的靈長類而言,繪制介于宏觀與微觀之間尺度的腦連接組尤為重要。

但目前科研人員只知道功能柱是發揮功能的單元,卻不清楚它們之間具體如何連接。徐國華解釋說:“就像一幢幢高樓,有不同的功能,有的是學校,有的是醫院等等,但我們還不明白這些大樓之間有怎樣的關聯。”

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。

Science Advances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。

論文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaau7046

(文 柯溢能  吳雅蘭/攝影 盧紹慶)

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