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前沿科技:浙大科学家研发出活体绘制脑功能连接组的新方法
发表日期:2019-07-08 15:16:59 阅读次数: 来源:

 

大脑由一座座不同功能的“城市”和“大厦”组成,无数的神经连接就像“信息公路”将它们连接成网络。基于大脑网络,信息从感觉器官输入,在脑内传递和处理,最终产生记忆、情绪和行为。因此理解大脑就需要掌握“大脑交通图”,这就好像人们出行时必须有地图导航一样。然而,目前脑科学家们探索大脑奥秘,却没有完整的“大脑交通图”可以参考。

当地时间424日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王菁教授(Anna Wang Roe)团队在《科学•进展》(Science Advances)杂志上发表了一项脑网络研究方法的最新突破。他们借助7T功能磁共振系统(fMRI)的巨大成像优势,并结合红外光神经刺激(Infrared Neural Stimulation),开发出红外光神经刺激功能磁共振整合技术(INS-fMRI),并首次在活体脑中获得亚毫米级的脑连接组,使我们能更快速、更系统、更清晰地看清“大脑交通图”,了解信息的传递。“就好比,我们不仅能知道一个快递从杭州市浙江大学某实验楼出发到了北京市,还能知道它到的是哪个辖区,哪条街道,甚至哪幢楼的哪一楼层”,文章的第一作者徐国华介绍说。

这项研究的其他参与者还包括共同第一作者博士生钱美珍,通讯作者张孝通博士、陈岗博士和王菁博士。他们开发的INS-fMRI技术,可以在活体中研究脑网络,其特点可以概括为更快、更强、更高。

更快

以往用于绘制脑连接的解剖学方法,通常是在大脑的几个起始位置注射染料,需要几周的时间让染料运输并给神经连接“上色”,然后牺牲动物制作脑片,最后进行非常耗时的图像重建和分析。即便这样,在一个动物中最多只能研究几个注射位点。

此次王菁教授团队发明的新技术结合了激光刺激和磁共振功能成像,快速地以三维形式呈现,在1-2小时的扫描中即可获得脑功能连接的初步结果,极大地方便了研究全脑尺度各脑区的响应程度,可以在单天实验中快速进行连接组的研究。徐国华介绍说:“与其慢慢地给公路上色,不如从杭州寄出一堆快递,在很快的时间内我们就可以知道它们都到了哪些城市。”

另外,INS-fMRI技术的好处,不只是快速,还在于方便了活体研究,大大减少使用动物的数量,并且可以对同一动物进行多次、持续的跟踪研究,例如研究大脑发育。”王菁补充说。

更强

更强表现为可量化与更精准。

红外光脉冲被0.2毫米直径的光纤照射到目标脑区,引起该脑区及相连脑区的神经响应,也会引起相应的血氧变化。这种血氧信号能够被磁共振功能成像捕获。“连接强度可以经由血氧水平,量化为响应的幅度和相关性”,徐国华介绍。

早年,王菁受到人工耳蜗研究中启用激光代替电流激活神经元的启发,开始了这方面研究,成为最早将红外光刺激引入到大脑研究中的科学家。这一转变的意义在于红外光脉冲将能量传递到极小的空间,从而实现精准刺激,并引起连接点响应的空间特异性。

更高

更高表现为高空间分辨率。当使用超高场(7特斯拉)磁共振成像时,这些响应位置可以在亚毫米级分辨率上呈现。这就为研究各个皮层功能柱(“大厦”)以及皮层各个分层(“楼层”)的神经活动提供了基础。“我们将红外光这一刺激方法与功能磁共振相结合,并在世界上首次提出了这一实验方法。”王菁说。

所谓功能柱,是大脑里面的一个个信息处理单元,大小则只有0.2-0.3毫米。灵长类动物(包括人类)的大脑均由这些功能柱整齐排布而成;每个功能柱恰好又对应特异的认知功能,互相之间连接成网络。因此,对于包括人类在内的灵长类而言,绘制介于宏观与微观之间尺度的脑连接组尤为重要。

但目前科研人员只知道功能柱是发挥功能的单元,却不清楚它们之间具体如何连接。徐国华解释说:“就像一幢幢高楼,有不同的功能,有的是学校,有的是医院等等,但我们还不明白这些大楼之间有怎样的关联。”

该方法可以被用于系统性地逐个刺激皮层功能柱,从而全面地描绘灵长类亚毫米水平连接组。”王菁介绍说,这项新技术将为绘制高分辨率功能柱的全脑网络图奠定基础,为大规模全脑功能连接研究开启大门。通过厘清各个功能柱之间的连接,将极大地帮助我们理解灵长类大脑的工作原理以及脑疾病,将促进神经科学、心理学、医学和人工智能等领域的发展。

Science Advances文章中,课题组报道了两个应用范例,分别对应研究全脑尺度的长程连接,以及局部范围内的高分辨率短程连接。实验证明了这一新方法的应用将可能帮助我们深入理解大脑的连接方式和工作原理,继而更好地理解疾病和精准调控相关脑结构和功能。

 

转载自浙江大学技术转移中心

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