隨著上世紀九十年代以來功能核磁共振成像（fMRI）技術(shù)的發(fā)展，它逐漸成為無創(chuàng)監(jiān)測神經(jīng)元活動的主要手段[1]。

fMRI的成像原理為血氧水平依賴（BOLD）效應(yīng)，即神經(jīng)元活動時耗氧量增加，導(dǎo)致局部血流量增加，是一種間接神經(jīng)元活動成像方法。配合高場強的MRI設(shè)備，fMRI空間分辨率已經(jīng)可以達到毫米級別。

然而，fMRI的時間分辨率受限于神經(jīng)元活動所導(dǎo)致的血流動力學(xué)變化相對緩慢，檢測到的信號較神經(jīng)元活動滯后約1秒，但神經(jīng)元之間信號的傳遞僅需要幾毫秒[2]。因此，若能達到更高的時間分辨率（毫秒級），科學(xué)家們將能更精確地揭示神經(jīng)元活動背后的動態(tài)過程。

近日，來自韓國成均館大學(xué)的Jang-Yeon Park團隊和高麗大學(xué)的Jeehyun Kwag團隊攜手，在《科學(xué)》雜志發(fā)表重磅研究[3]，他們開發(fā)了一種達到毫秒級精度直接成像神經(jīng)元活動，同時保留高場強MRI高空間分辨率的快速線性掃描方法（DIANA），為深入了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時空動力學(xué)提供了新方法。

研究人員在9.4特斯拉（T，磁通量密度單位）的條件下，通過DIANA方法成功對小鼠神經(jīng)元活動進行了成像，以5毫秒的時間分辨率（是標準fMRI技術(shù)的8倍）和0.22毫米的空間分辨率，記錄了小鼠胡須墊受到電刺激后丘腦和初級軀體感覺皮層神經(jīng)元的活動順序，堪稱研究神經(jīng)通路的“神器”。

論文首頁截圖

為了達到毫秒級的高時間分辨率，研究人員采用了2D快速線性掃描——結(jié)合線性掃描采集策略和使用具有短回波時間（TE，2毫秒）和短重復(fù)時間（TR，5毫秒）的2D梯度回波成像序列的方法[4]，對放置在9.4T場強內(nèi)的小鼠左側(cè)胡須墊給予5Hz的電刺激（強度：0.5mA；持續(xù)時間：0.5毫秒），從而對右側(cè)初級體感皮層（S1BF）所在平面（層厚1毫米）進行成像。

DIANA方法示意圖

胡須墊經(jīng)電刺激后，與刺激前相比，右側(cè)初級體感皮層中可觀察到顯著增強的信號，峰值信號出現(xiàn)在電刺激后25.00±1.58毫秒，實現(xiàn)了神經(jīng)元活動的毫秒級時間分辨率成像。

神經(jīng)元活動的毫秒級時間分辨率成像

為了確認該信號與神經(jīng)元活動的相關(guān)性，研究人員在小鼠初級體感皮層中植入了探針，記錄局部電位（LFP）和單個神經(jīng)元動作電位活動，并對小鼠進行同樣的電刺激。

結(jié)果顯示，胡須墊電刺激誘發(fā)的峰值局部電位潛伏期為39.48±1.84毫秒，明顯慢于DIANA中信號的潛伏期，但電極記錄的峰值動作電位放電速率潛伏期（26.44±1.24毫秒）與DIANA中信號潛伏期相似。

此外，電極記錄的動作電位的其他時間特征也均與DIANA中信號相似，且DIANA中信號幅度和速率都隨著電刺激強度的增加而增加（信號潛伏期不變），這反映了DIANA中信號與神經(jīng)元活動具有明顯的相關(guān)性。

DIANA中信號與神經(jīng)元活動具有明顯的相關(guān)性

緊接著，研究人員探索了通過DIANA方法捕獲動作電位在神經(jīng)元間傳播的能力。

在對胡須墊電刺激后，研究人員對丘腦和初級體感皮層的冠狀位層面（層厚1mm）進行成像，常規(guī)BOLD-fMRI顯示丘腦和對側(cè)/同側(cè)初級體感皮層的神經(jīng)元均被激活。

然而，DIANA方法可顯示腦區(qū)的激活順序。在電刺激后，丘腦、對側(cè)初級體感皮層和同側(cè)初級體感皮層按順序依次激活，信號潛伏期分別為11.50±0.76毫秒、24.00±1.00毫秒和28.50±3.08毫秒，即丘腦神經(jīng)元先于對側(cè)和同側(cè)初級體感皮層10到15毫秒被激活。

DIANA方法顯示在電刺激后丘腦、對側(cè)初級體感皮層和同側(cè)初級體感皮層按順序依次激活

為了確定DIANA信號的時空傳播是否與丘腦皮質(zhì)通路中神經(jīng)元動作電位的傳播相匹配，研究人員通過探針對丘腦和初級體感皮層同時進行電活動的記錄。

結(jié)果顯示，在電刺激胡須墊后，神經(jīng)通路的激活的確是按照丘腦（9.52±0.90毫秒）、對側(cè)初級體感皮層（24.52±1.43毫秒）和同側(cè)初級體感皮層（30.00±1.73毫秒）的順序，與DIANA方法中觀測到的信號相一致。

探針記錄的神經(jīng)通路激活順序與DIANA方法中觀測到的信號相一致

此外，研究人員還通過光遺傳學(xué)的方法驗證了DIANA捕獲神經(jīng)元活動的能力。

在對表達通道視紫紅質(zhì)2（ChR2）的初級體感皮層興奮性神經(jīng)元進行光刺激后（強度：50mW/m㎡；持續(xù)時間：20毫秒），在初級體感皮層中首先出現(xiàn)信號變化（潛伏期15.00±1.29毫秒），隨后丘腦也出現(xiàn)信號變化（潛伏期25.00±2.98毫秒）。這與光刺激后探針記錄的神經(jīng)元動作電位相一致（初級體感皮層潛伏期9.06±1.59毫秒，丘腦21.86±2.76毫秒）。

DIANA捕獲光刺激后皮質(zhì)丘腦通路神經(jīng)元活動傳遞

更為令人驚嘆的是，得益于高時空分辨率，DIANA還可區(qū)分腦區(qū)亞結(jié)構(gòu)的激活時空順序。丘腦可被細分為后內(nèi)側(cè)部分（POm）、腹后內(nèi)側(cè)核腹側(cè)部分（VPMv）和腹后內(nèi)側(cè)核背側(cè)部分（VPMd），而初級體感皮層和S2（次級軀體感覺皮層）則可被分為L2/3、L4、L5和L6層。

在電刺激胡須墊后，丘腦中信號首先出現(xiàn)于VPMv，然后傳遞到POm和VPMd；在初級體感皮層中，信號則從L4和L5開始，然后傳播到L6和L2/3；在次級軀

體感覺皮層中，L4和L6首先被激活，之后是L5和L2/3。這些結(jié)果與探針記錄的神經(jīng)元動作電位結(jié)果相一致。

DIANA可區(qū)分丘腦、初級體感皮層和次級軀體感覺皮層亞結(jié)構(gòu)的激活順序

那DIANA中信號的生理機制是啥呢？

可以確定的是，DIANA中信號并不源于BOLD效應(yīng)。

為了證明這一點，研究人員在兩種條件下進行了BOLD-fMRI實驗：氧氣與空氣比例為1:4（氧氣-空氣條件）和僅空氣條件。

與氧氣-空氣條件下相比，僅空氣條件下丘腦和初級體感皮層的BOLD效應(yīng)信號顯著降低（丘腦：0.626±0.052%降至0.284±0.079%；對側(cè)初級體感皮層：1.142±0.147%降至0.792±0.166%），與BOLD效應(yīng)對氧氣供應(yīng)的依賴性一致。

相比之下，氧氣-空氣條件和僅空氣條件下DIANA方法中信號的強度并無明顯改變（丘腦：0.199±0.018至0.193±0.008%；對側(cè)初級體感皮層：0.164±0.013%至0.165±0.009%）。

DIANA方法中信號不來源于BOLD效應(yīng)

雖然研究人員并未完全搞清楚此信號背后的生理機制，但研究人員猜測信號可能與神經(jīng)元活動期間膜電位的變化相關(guān)。

總的來說，研究人員開發(fā)了一種方法可將時間分辨率提升至毫秒級，同時保留高空間分辨率的無創(chuàng)神經(jīng)元活動成像方法，對小鼠腦部神經(jīng)元活動做到了腦區(qū)亞結(jié)構(gòu)的高時空分辨率檢測，為今后神經(jīng)科學(xué)的研究提供了重要方法。

參考文獻

1.Belliveau JW, Kennedy DN, Jr., McKinstry RC, Buchbinder BR, Weisskoff RM, Cohen MS, Vevea JM, Brady TJ, Rosen BR: Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science 1991, 254(5032):716-719.

2.https://www./articles/d41586-022-03276-5

3.Toi PT, Jang HJ, Min K, Kim S-P, Lee S-K, Lee J, Kwag J, Park J-Y: In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution. Science 2022, 378(6616):160-168.

4.Yu X, He Y, Wang M, Merkle H, Dodd SJ, Silva AC, Koretsky AP: Sensory and optogenetically driven single-vessel fMRI. Nat Methods 2016, 13(4):337-340.