《科学》:神经影像革命！时间分辨率提升8倍 探索神经元活动的“神器”诞生！

来源：奇点蛋糕2022-10-20 1:11

研究人员开发了一种非侵入性的神经元活动成像方法，可以将时间分辨率提高到毫秒级，同时保留高空间分辨率。它能以高时空分辨率检测小鼠大脑的神经元活动，为未来的神经科学研究提供了重要方法。

随着20世纪90年代以来功能磁共振成像技术的发展，它逐渐成为无创监测神经元活动的主要手段[1]。

fMRI的成像原理是血氧水平依赖(BOLD)效应，即神经元活动时耗氧量增加，导致局部血流量增加。FMRI是一种间接的神经元活动成像方法。借助高场MRI设备，fMRI的空间分辨率可以达到毫米级。

然而，fMRI的时间分辨率受到神经元活动引起的相对缓慢的血液动力学变化的限制。检测到的信号滞后于神经元活动约1秒，但神经元之间的信号传递只需几毫秒[2]。因此，如果能够实现更高的时间分辨率(毫秒级)，科学家将能够更准确地揭示神经元活动背后的动态过程。

最近，来自韩国成均馆大学的Jang-Yeon Park团队和高丽大学的Jeehyun Kwag团队联手在《科学》杂志上发表了一项重磅研究[3]。他们开发了一种快速线性扫描方法(DIANA)，可以在保留高场MRI高空间分辨率的同时，以毫秒级精度直接对神经元活动进行成像，这为深入理解神经网络的时空动力学提供了一种新方法。

在9.4特斯拉(t，磁通量密度单位)的条件下，研究人员通过DIANA方法成功对小鼠神经元的活动进行成像，以5毫秒的时间分辨率(标准fMRI技术的8倍)和0.22 mm的空间分辨率记录了电刺激后小鼠胡须垫丘脑和初级体感皮层神经元的活动序列，堪称研究神经通路的神器。

报纸首页截图

为了实现毫秒级的高时间分辨率，研究人员使用2D快速线性扫描结合线性扫描采集策略和短回波时间(TE，2ms)和短重复时间(TR，5ms)的2D梯度回波成像序列[4]，对置于9.4T场强(强度：0.5mA；时长：0.5ms)，从而对右侧初级体感皮层(S1BF)的平面(厚度1mm)进行成像。

戴安娜法示意图

电刺激胡须后，与刺激前相比，右侧初级体感皮层可观察到明显增强的信号，峰值信号出现在电刺激后25.001.58毫秒，实现了神经元活动的毫秒级时间分辨率成像。

神经元活动的毫秒时间分辨率成像

为了证实这种信号与神经元活动之间的相关性，研究人员将探针植入小鼠的初级体感皮层，记录局部电位(LFP)和单个神经元的动作电位，并用相同的电刺激刺激小鼠。

结果表明，电刺激胡须垫诱发的局部电位峰潜伏期为39.481.84毫秒，明显慢于DIANA信号，而电极记录的动作电位放电速率峰潜伏期(26.441.24毫秒)与DIANA信号相似。

此外，电极记录的动作电位的其他时间特性与DIANA相似，DIANA中信号的幅度和速率随电刺激强度的增加而增加(信号的潜伏期不变)，反映了DIANA中信号与神经元活动之间存在明显的相关性。

DIANA中的信号与神经元活动有明显的相关性。

然后，研究人员探索了DIANA方法捕捉神经元之间动作电位传播的能力。

电刺激胡须垫后，研究人员对丘脑和初级体感皮层(厚度1毫米)的冠状面进行成像。常规BOLD-fMRI显示丘脑和对侧/同侧初级体感皮层的神经元被激活。

然而，DIANA方法可以显示大脑区域的激活序列。电刺激后，丘脑、对侧初级体感皮层和同侧初级体感皮层依次被激活，信号潜伏期分别为11.500.76毫秒、24.001.00毫秒和28.503.08毫秒，即丘脑神经元先于对侧和同侧初级体感皮层被激活10至15毫秒。

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DIANA方法显示在电刺激后丘脑、对侧初级体感皮层和同侧初级体感皮层按顺序依次激活

为了确定DIANA信号的时空传播是否与丘脑皮质通路中神经元动作电位的传播相匹配，研究人员通过探针对丘脑和初级体感皮层同时进行电活动的记录。

结果显示，在电刺激胡须垫后，神经通路的激活的确是按照丘脑（9.52 0.90毫秒）、对侧初级体感皮层（24.52 1.43毫秒）和同侧初级体感皮层（30.00 1.73毫秒）的顺序，与DIANA方法中观测到的信号相一致。

探针记录的神经通路激活顺序与DIANA方法中观测到的信号相一致

此外，研究人员还通过光遗传学的方法验证了DIANA捕获神经元活动的能力。

在对表达通道视紫红质2（ChR2）的初级体感皮层兴奋性神经元进行光刺激后（强度：50mW/m㎡；持续时间：20毫秒），在初级体感皮层中首先出现信号变化（潜伏期15.00 1.29毫秒），随后丘脑也出现信号变化（潜伏期25.00 2.98毫秒）。这与光刺激后探针记录的神经元动作电位相一致（初级体感皮层潜伏期9.06 1.59毫秒，丘脑21.86 2.76毫秒）。

DIANA捕获光刺激后皮质丘脑通路神经元活动传递

更为令人惊叹的是，得益于高时空分辨率，DIANA还可区分脑区亚结构的激活时空顺序。丘脑可被细分为后内侧部分（POm）、腹后内侧核腹侧部分（VPMv）和腹后内侧核背侧部分（VPMd），而初级体感皮层和S2（次级躯体感觉皮层）则可被分为L2/3、L4、L5和L6层。

在电刺激胡须垫后，丘脑中信号首先出现于VPMv，然后传递到POm和VPMd；在初级体感皮层中，信号则从L4和L5开始，然后传播到L6和L2/3；在次级躯

体感觉皮层中，L4和L6首先被激活，之后是L5和L2/3。这些结果与探针记录的神经元动作电位结果相一致。

DIANA可区分丘脑、初级体感皮层和次级躯体感觉皮层亚结构的激活顺序

那DIANA中信号的生理机制是啥呢？

可以确定的是，DIANA中信号并不源于BOLD效应。

为了证明这一点，研究人员在两种条件下进行了BOLD-fMRI实验：氧气与空气比例为1:4（氧气-空气条件）和仅空气条件。

与氧气-空气条件下相比，仅空气条件下丘脑和初级体感皮层的BOLD效应信号显著降低（丘脑：0.626 0.052%降至0.284 0.079%；对侧初级体感皮层：1.142 0.147%降至0.792 0.166%），与BOLD效应对氧气供应的依赖性一致。

相比之下，氧气-空气条件和仅空气条件下DIANA方法中信号的强度并无明显改变（丘脑：0.199 0.018至0.193 0.008%；对侧初级体感皮层：0.164 0.013%至0.165 0.009%）。

DIANA方法中信号不来源于BOLD效应

虽然研究人员并未完全搞清楚此信号背后的生理机制，但研究人员猜测信号可能与神经元活动期间膜电位的变化相关。

总的来说，研究人员开发了一种方法可将时间分辨率提升至毫秒级，同时保留高空间分辨率的无创神经元活动成像方法，对小鼠脑部神经元活动做到了脑区亚结构的高时空分辨率检测，为今后神经科学的研究提供了重要方法。

参考文献

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.nature.com/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.

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