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    不同腦區間的交流,是如何產生復雜的認知能力的?

    來源: | 2022-10-18 23:11:21 | 人氣:

    導讀:上世紀90年代,功能性磁共振成像(fMRI)的誕生革新了人們對于大腦的認知。這項無創的工具已經成為神經科學研究的支柱,使得科學家能夠深入探究大腦中的神經連接,幫助我們理解大腦的

    上世紀90年代,功能性磁共振成像(fMRI)的誕生革新了人們對于大腦的認知。這項無創的工具已經成為神經科學研究的支柱,使得科學家能夠深入探究大腦中的神經連接,幫助我們理解大腦的功能與病理機制。

    不過,目前的fMRI也面臨著自身的瓶頸。例如,這項技術無法為我們解答一個關鍵問題:不同腦區間的交流,是如何產生復雜的認知能力的?而造成這一瓶頸的關鍵因素,是fMRI檢測的時間與空間分辨率的不足。

    現在,一項發表于《科學》雜志的最新研究有望帶來革命性的突破。來自韓國的研究團隊在fMRI的基礎上,將檢測的時間分辨率提升至毫秒級別,從而實現對大腦內神經活動的直接成像。

    更加令人驚訝的是,這項被命名神經活動直接成像(direct imaging of neuronal activity,簡稱DIANA)的新技術沒有用到任何全新的儀器設備,而是僅僅基于軟件的提升就取得了重大突破。

    韓國成均館大學的Jang-Yeon Park教授是該研究的領導者之一?!吧窠浛茖W的進展令我感到震驚,但與此同時,有一個問題困擾著我:基于目前fMRI技術的時間分辨率,我們真的能揭開大腦功能的秘密嗎?” Jang-Yeon Park教授說道。

    要找到提升fMRI性能的突破口,需要從它的工作原理說起。事實上,fMRI并不是直接觀測神經元的活動,而是依靠另一個指標來間接測定,這就是血氧水平依賴效應(Blood Oxygenation Level Dependent, BOLD)。簡單來說,在神經活動活躍的腦區,局部的耗氧量增加、血流增多,這樣的變化會引起局部磁場的變化,而磁共振成像這是通過這樣的變化來反映神經活動。

    前面說到,fMRI的成像能力受到空間分辨率以及時間分辨率的限制。其中,造成空間分辨率不足的主要原因是,傳統fMRI能檢測的是大腦中較大的血管,這些血管影響到大面積的皮層,反過來這些皮層的活動都會反映在相同的血管中,導致空間分辨率不足。解決方案也很清晰:使用更強的磁場,聚焦于更小的血管。目前,超高場(ultra-high-field)fMRI技術已經大幅提升了空間分辨率。

    相比之下,對于時間分辨率的提升,科學界長期沒有找到解決方案。前文介紹到,fMRI會在氧氣消耗突然增加的腦區,追蹤血流的變化,而這個信號相比于神經活動,延遲可達1秒——不要小看這一秒,要知道神經信號傳遞在毫秒級別,整個認知、決策等活動也只需要0.1秒。因此,現有的分辨率根本無法真正捕捉神經活動。

    而最新研究采用的改進思路簡單而有效?,F有的fMRI是每隔幾秒鐘“拍攝”一張特定腦區橫截面的完整圖像,而Jang-Yeon Park教授團隊的策略是將拍攝間隔縮短至幾毫秒——當然,這樣做的代價是一次只能拍攝一片很小的區域,但只要將這些局部的圖像拼接起來,就能得到高分辨率的大腦橫截面完整圖像。而做到這一點,只需要在已有的超高場fMRI的基礎上修改一些軟件配置。

    ▲DIANA能夠實現高時空分辨率的神經活動直接成像(圖片來源:參考資料[1])

    這項研究在小鼠實驗中驗證了DIANA的可行性。研究團隊將一只被麻醉的小鼠放在了MRI掃描儀中,其面部的胡須墊每隔0.2秒接受一次微弱電流刺激。而在兩次電刺激之間,儀器每5毫秒就會對小鼠腦部的一個微小區域進行掃描,獲取局部的圖像,這一速度相當于現有技術的8倍。

    而當軟件將多次掃描的數據整合,這個過程就直接生成了小鼠腦部切片的圖像。通過該手段獲取的是軀體感覺皮層的信號,這里正是感受對胡須的刺激的腦區。由此產生的信號,也成為前所未有的毫秒級別分辨率fMRI圖像。論文介紹道,相比于高延遲的現有技術,DIANA實現了對神經活動的直接成像。同時,其空間分辨率為0.22毫米,與超高場fMRI技術相當。

    同期的觀點文章指出,DIANA打破了目前fMRI在時間分辨率上的限制,擁有令人激動的應用潛力。

    ▲對不同區域的連續檢測實現了快速fMRI成像(圖片來源:參考資料[1])

    值得一提的是,目前研究團隊還沒有完全弄清楚,他們的DIANA為什么可以擁有如此優異的表現。一種猜想是,神經元膜電位的變化,反映在MRI信號的橫向弛豫時間,也就是MRI信號消失的快慢。他們初步的推測是,由于膜電位導致橫向弛豫時間延長,因此在神經活動期間,可以觀察到信號強度的增加。

    盡管DIANA信號背后的生物學機制尚存疑問,但其他一些科學家對此并不擔心。加拿大韋仕敦大學的神經科學家與物理學家Ravi Menon教授說:“數據本身說明,不管機制是什么,MRI數據的變化與大腦活動緊密相連。我認為在開始階段,這才是最重要的——而細節可以稍后解決?!?/p>

    而麻省總醫院的講師Padmavathi Sundaram博士則表示,她有些擔心的是,外部流體有可能影響到信號,但作者已經盡全力證明這些信號是真實存在的,“這可能是我見過的第一個可信的體內神經元電流MRI圖像?!?/p>

    另一個有趣的地方在于,這項研究使用的技術不僅簡單,甚至都稱不上新鮮。早在20年前,就有研究采用了類似的方法,而Jang-Yeon Park教授的研究也受到了此前研究的啟發。葡萄牙神經科學家Noam Shemesh博士認為,以往的研究者或許沒有“膽大”到在如此短的時間內尋找信號,他們可能從未期待過在這里發現些什么。

    “大多數人認為這里只有噪音,而Jang-Yeon Park等人試圖從中尋找一些信號。顯然,他們做到了?!?Shemesh博士說。

    ▲通過刺激小鼠胡須墊,研究實現了對小鼠的神經活動直接成像(圖片來源:Jang-Yeon Park教授)

    最新《科學》論文的發表代表了學術界對DIANA的一種認可,但這項技術要想真正成立并得到應用,仍然需要所有神經科學家與MRI物理學家的大量工作。

    首先要做的,自然是在不同實驗室中重復出Jang-Yeon Park教授的結果,確認DIANA的可靠性。另一項挑戰,則是最終將測量對象從小鼠換成人類。“我們不能麻醉人來獲取圖像,” Sundaram博士說。但Shemesh博士相信,這項挑戰并非無法克服,畢竟之前人們還應對過對于受試者移動更敏感的MRI方法。

    如果DIANA技術最終得到更多實驗室的驗證,它將在神經科學領域開辟一條全新的道路。只需讓受試者進入儀器,就能以非侵入的方式直接讀取神經活動——這項革命性的突破將為理解大腦的機制及疾病提供前所未有的工具。我們期待,這項進展將能夠通過科學檢驗,并最終造福全人類。


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