發(fā)布日期：2019-04-26
信息從感覺(jué)器官輸入，在腦內(nèi)傳遞和處理，最終產(chǎn)生記憶、情緒和行為。然而，目前腦科學(xué)家們探索大腦奧秘，卻沒(méi)有完整的“大腦交通圖”可以參考。4月25日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)研究所教授王菁團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)•進(jìn)展》雜志上發(fā)表文章，獲得腦網(wǎng)絡(luò)研究方法的新突破。
他們借助7T功能磁共振系統(tǒng)（fMRI）的巨大成像優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合紅外光神經(jīng)刺激，開(kāi)發(fā)出紅外光神經(jīng)刺激功能磁共振整合技術(shù)（INS-fMRI），并首次在活體腦中獲得亞毫米級(jí)的腦連接組，使我們能更快速、更系統(tǒng)、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(gè)快遞從杭州市浙江大學(xué)某實(shí)驗(yàn)樓出發(fā)到了北京市，還能知道它到的是哪個(gè)轄區(qū)，哪條街道，甚至哪幢樓的哪一樓層”，文章的第一作者徐國(guó)華介紹說(shuō)。
以往用于繪制腦連接的解剖學(xué)方法，通常是在大腦的幾個(gè)起始位置注射染料，需要幾周的時(shí)間讓染料運(yùn)輸并給神經(jīng)連接“上色”。
此次王菁團(tuán)隊(duì)發(fā)明的新技術(shù)結(jié)合了激光刺激和磁共振功能成像，快速地以三維形式呈現(xiàn)，在1-2小時(shí)的掃描中即可獲得腦功能連接的初步結(jié)果，極大地方便了研究全腦尺度各腦區(qū)的響應(yīng)程度，可以在單天實(shí)驗(yàn)中快速進(jìn)行連接組的研究。徐國(guó)華介紹說(shuō)：“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(shí)間內(nèi)我們就可以知道它們都到了哪些城市。”
“另外，INS-fMRI技術(shù)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(dòng)物的數(shù)量，并且可以對(duì)同一動(dòng)物進(jìn)行多次、持續(xù)的跟蹤研究，例如研究大腦發(fā)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(jīng)元的啟發(fā)，開(kāi)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(xué)家。這一轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)刺激，并引起連接點(diǎn)響應(yīng)的空間特異性。
他們的研究實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率。當(dāng)使用超高場(chǎng)（7特斯拉）磁共振成像時(shí)，這些響應(yīng)位置可以在亞毫米級(jí)分辨率上呈現(xiàn)。“我們將紅外光這一刺激方法與功能磁共振相結(jié)合，并在世界上首次提出了這一實(shí)驗(yàn)方法。”王菁說(shuō)。
“該方法可以被用于系統(tǒng)性地逐個(gè)刺激皮層功能柱，從而全面地描繪靈長(zhǎng)類亞毫米水平連接組。”王菁介紹說(shuō)，這項(xiàng)新技術(shù)將為繪制高分辨率功能柱的全腦網(wǎng)絡(luò)圖奠定基礎(chǔ)，為大規(guī)模全腦功能連接研究開(kāi)啟大門(mén)。通過(guò)厘清各個(gè)功能柱之間的連接，將極大地幫助我們理解靈長(zhǎng)類大腦的工作原理以及腦疾病，將促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展。
在文章中，課題組報(bào)道了兩個(gè)應(yīng)用范例，分別對(duì)應(yīng)研究全腦尺度的長(zhǎng)程連接，以及局部范圍內(nèi)的高分辨率短程連接。實(shí)驗(yàn)證明了這一新方法的應(yīng)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(zhǔn)調(diào)控相關(guān)腦結(jié)構(gòu)和功能。
相關(guān)論文信息：https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaau7046
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