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2023218日,浙江大学白瑞良团队与北京天坛医院隋滨滨团队NeuroImage杂志在线发表了最新研究成果:Vascular-water-exchange MRI (VEXI) enables the detection of subtle AXR alterations in Alzheimer's disease without MRI contrast agent, which may relate to BBB integrity,该文首次检验了白瑞良团队发明的无创血管水交换磁共振成像技术在检测阿尔兹海默症中血脑屏障改变的可行性,有望为神经退行性疾病的检测提供新的生物标记物。


原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811923000976

 

血脑屏障是脑微血管内的一种连续内皮膜,能够调节营养物质向大脑的输送,防止神经毒素进入大脑,还具有清除代谢垃圾的功能。越来越多的证据表明,血脑屏障损伤是阿尔兹海默症的一个重要的病理生理过程,也是阿尔兹海默症早期诊断的潜在生物标记物。目前研究使用的神经成像方法,包括正电子断层扫描和核磁共振成像,发现AD患者在部分脑区中血脑屏障通透性的增加。然而这些神经成像方法大部分需要注射外源性造影剂或示踪剂,严重限制了在人群中的广泛应用。因此,开发无创的血脑屏障磁共振检测方法十分关键。血管水交换成像(VEXI)是由白瑞良团队开发的一种基于过滤交换成像(FEXI)的无创评估血脑屏障对水分子渗透率的方法。本研究旨在评估VEXI在检测AD患者中血脑屏障通透性变化的可行性。


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1. VEXI技术原理图

 

本研究通过定量建模计算跨血脑屏障表观水交换速率(AXR BBB),计算结果显示,与正常对照组相比,AD患者在疾病早期,即轻度认知障碍(MCI)时期,在海马区域具有更高的AXR BBB(图2)。随着疾病的发展,从MCI进展为AD时,海马区域的AXR BBB进一步上升,并且在更多脑区(丘脑和眶额皮层)观察到了这种水分子跨BBB交换速率的上升(图3)。在与临床数据进行相关性分析时发现,尽管这三个脑区中的AXR BBB与蒙特利尔认知评估量表(MoCA)评分都呈现出显著的负相关,但是只有在海马中这种相关性在没有AD组数据时仍旧显著(图4)。这表明更差的认知功能与更高的水分子跨BBB交换速率相关,而海马区的AXR BBB具有AD超早期检测的潜力

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2. VEXI通过计算不同交换时间下的ADC值并结合模型计算出跨血脑屏障表观水交换速率(AXR BBBA:海马脑区不同交换时间下的ADC值;B:具有代表性的AXRBBB拟合曲线;C:海马脑区正常对照组和MCIAXRBBB统计比较结果。


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3. 海马、丘脑和眶额皮层在在疾病发展各个阶段的AXRBBB参数图以及ANOVA统计比较结果


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4 不同脑区的AXR BBBMoCA评分相关性分析

 

该研究的结果与先前研究具有较好的一致性,证明了VEXI检测AD患者中血脑屏障的可行性,VEXI是一种潜在的可以大范围推广的无创血脑屏障功能评估方法。

 

浙江大学博士生张逸凡第一作者、首都医科大学博士生王越共同第一作者浙江大学医学院、教育部脑与脑机融合前沿科学中心白瑞良教授通讯作者北京天坛医院隋滨滨教授施炯教授共同通讯作者本研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金以及浙江大学教育部脑与脑机融合前沿科学中心等的资助。

 


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白瑞良,浙江大学医学院教授、邵逸夫医院双聘教授、博士生导师。国家优青、国家科技创新2030重点研发计划青年首席科学家、浙江省杰出青年、杭州市海外高层次人才。主要从事脑循环功能的磁共振成像技术及临床转化研究,已发表SCI论文40余篇,以第一作者/通讯作者发表在Nature Biomedical EngineeringPNASMedical Image AnalysisNeuroimage 20余篇,申请发明专利10余项,荣获了首届中国生物物理学会生物磁共振分会青年创新奖、国际医学磁共振协会青年会士等学术荣誉。


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白瑞良教授研究团队合影


网站链接:https://person.zju.edu.cn/Bai_Lab 

网站二维码:

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来源 | 白瑞良课题组
编辑 | 史佳鑫




2023-03-01 READ MORE
2023-02-23 READ MORE

202326日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所Toru教授Anna Wang Roe教授J Comp Neurol杂志在线发表封面文章:Functional topography of pulvinar-visual cortex networks in macaques revealed by INS-fMRI,首次在介观尺度上在体研究了丘脑枕的功能连接网络。 

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36740976/

 

在类人猿大脑中,丘脑枕复合体(pulvinar complex)是多个核团亚区的统称。根据组织化学染色的方法,丘脑枕中主要包括三个分区:中部丘脑枕(PM)、外侧丘脑枕(PL)、后侧丘脑枕(PI)。虽然目前已有大量基于解剖学手段得到的丘脑枕与其他皮层区域的大致连接拓扑样式,但是丘脑枕与经典视觉通路(腹侧流和背侧流)的关系仍然有尚未完全理解的部分。目前,研究人员认为丘脑枕PLPI中包含有两个清晰的与视觉地图相关的视网膜拓扑结构,因此本实验中对于应该观察到的连接样式具有明确的预期。本研究的目的是确定INS-fMRI技术具有显示拓扑状功能连接的能力,并进一步揭示该方法在其他研究方向中潜在的优势

本实验主要展示了在同一个丘脑枕中,通过一系列的刺激位点来揭示丘脑枕不同亚区与视皮层区域的拓扑状连接样式的差异性。在图2示例中,展示了三个位于同一个穿刺通道下,不同刺激深度的刺激位点(如红点所示)。通过对比Gattass等人建立的丘脑枕视觉地图,可以得出每个刺激位点在视觉地图中的位置(图2A-B)。图2C展示了冠状视图下的MRI图像,可见三个刺激位点均在视皮层区域中引起较强的BOLD反应,并且不同刺激位点所引起的聚集性反应处在不同的位置。为更加直观地展示BOLD反应在视皮层的视觉地图中所处的位置,本实验中重构了经摊平处理后的视皮层区域,并将BOLD反应像素投射到该摊平的视皮层上。该方法可以清晰地看到不同刺激位点在视皮层中引起的反应是非常局部并且符合拓扑状分布的(图2D);通过调整显著性阈值,可以进一步确定不同反应区域的中心位置,并且依然符合拓扑样分布。本实验还关注了更高级的视皮层:MT及其周围区域(MST/FST/V4t),结果发现MT区域与腹侧丘脑枕区域之间具有不同的连接样式,并且上述两个区域之间的拓扑状连接样式与早期视皮层区域的连接样式相一致(图3)。整体来看,当刺激位点稍微移动后,视皮层中的反应也随之发生拓扑状的移动。统计结果表明,PL更倾向与腹侧流的视觉通路连接,而PI则倾向与背侧流的视觉通路连接(图4)。

本文的研究结果表明,INS刺激所引起的功能性连接样式在很大程度上与早期发现的解剖学连接样式是一致的,因此也证明该方法对于研究功能连接环路的可行性。本实验也拓展了对丘脑枕与皮层区域功能连接的认识,更重要的是,也为将来在全脑范围内研究丘脑-皮层的功能连接提供可能性


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1. 丘脑枕中所有刺激位点的分布情况。本实验中,共在两只恒河猴的两个丘脑枕中的28个不同的位点进行了激光刺激。



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2. 视皮层中BOLD反应示例图。A:通过组织学染色确定刺激位点所处丘脑枕亚区。B:早期Gattass等人构建的丘脑枕视网膜拓扑图,对比图A可知:位点11位于下视野区域,靠近水平子午线的40°偏心角位置;位点12位于下视野区域中10-20°偏心角位置;位点13位于下视野的中央凹区域。CMRI冠状视角中展示BOLD反应分布情况。D:在重构的摊平的视皮层中展示BOLD反应位点11引起的反应主要位于外周视野,并靠近水平子午线;位点12引起的反应主要位于10-20°偏心角位置;位点13引起的反应主要位于下视野的中央凹区域。



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3. MT及其周围区域的BOLD反应分布情况



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4. 丘脑枕中不同亚区的刺激在视皮层中所引起反应的统计分析



浙江大学系统神经与认知科学研究所Toru Takahata教授Anna Wang Roe教授共同通讯作者姚松坪史孙航共同第一作者,周秋盈,王剑葆,杜潇为共同作者。本研究得到国家重点研发计划项目、国自然基因项目等的支持。


2023-02-22 READ MORE

近期,Anna Wang Roe教授胡嘉明特聘研究员团队《eLife》杂志在线发表题为“Spatial frequency representation in V2 and V4 of Macaque monkey”的最新研究成果。该研究利用内源信号光学成像记录了猕猴视皮层V2和V4区在不同空间频率视觉刺激下的活动,揭示了皮层空间中空间频率表征与视网膜拓扑映射、方位表征、颜色表征等的联系,推进了我们对灵长类动物大脑功能结构的理解。

原文链接:https://elifesciences.org/articles/81794


视觉场景中物体的疏密以空间频率(spatial frequency),即每度视场中明暗交替光栅的周期数来表示。空间频率是一个重要的视觉参数,关乎形状、纹理和运动等视觉认知。然而,关于灵长类动物纹外皮层如何编码空间频率,仍有许多问题没有解决。以前的研究表明,视觉皮层内的空间频率偏好总体呈现由中心视野向外周视野逐渐降低的趋势。在功能柱尺度上,V1的低空间频率功能柱与颜色功能柱倾向占据相同的皮层空间,高空间频率功能柱与方位功能柱的变化梯度呈正交分布。但是在纹外皮层(如V2V4区),尚无证据表明空间频率偏好与其他视觉信息选择性之间存在特定的联系。

基于以上背景,研究团队提出以下猜想,与V1中的结果类似,在V2V4中,空间频率信息的表征与离心度、颜色、方位等信息的表征在空间位置上存在较明确的关系,即在局部皮层区域中形成一个能编码空间频率、颜色、方位信息的“超柱”结构,并确保了视觉信息的高效整合(如图1所示)。

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1. 猜想的视觉皮层超柱结构示意图。 A. 皮层对空间频率的整体偏好随离心度减小(外周视野到中心视野)而逐渐增大。B. 在一个局部皮层区域内,空间频率、颜色、方位三种视觉属性在皮层上的空间表征关系。


为了验证以上猜想,研究团队通过内源信号光学成像(ISOI),记录了麻醉猕猴看不同空间频率的黑-白和红-绿全屏正弦光栅视觉刺激(如图2所示)时,V1V2V4区的皮层活动,发现了以下结果。

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2. 实验视觉刺激与成像位置示意图。A.视觉刺激,上下两行分别为不同空间频率的黑白刺激和红绿刺激。B.成像区域示意图(橘色区域为成像区域)。C, D.成像皮层相应的感受野位置示意图。


首先研究团队通过计算,绘制了皮层的空间频率偏好图(如图3所示)。大部分V1区偏好高空间频率,而大部分V4区倾向于偏好低空间频率。从V1V2,再到V4,皮层偏好的空间频率逐渐降低,与之前文献中的发现一致。

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3. 皮层的空间频率偏好图。结果分别来自两只动物(A-D,动物1 E-H,动物2)。A,E.皮层表面血管图。B,F. 空间频率偏好图。C,G. 各脑区中不同频率偏好所占区域比例的分布图。D,H.各脑区平均最优空间频率比较。


研究采用的大视场成像(1.5cm以上)能够捕捉到高度结构化的功能图,并揭示这些功能图在不同空间频率条件下的变化。

研究团队比较了不同空间频率刺激所激活的方位、颜色功能图(如图4所示),结果显示无论是方位还是颜色功能图,随着视觉刺激中空间频率的增加,激活区域逐渐从外周视野对应的皮层区域向中心视野对应的皮层区域移动(如图4C-E所示)。定量分析的结果显示,中心视野对应的皮层区域其在高空间频率信息的处理过程中占据主导地位,而外周视野对应的皮层区域在低空间频率信息的处理过程中占主导(如图5所示)。值得一提的是,V4的中心视野区域对不同空间频率的视觉刺激均表现出较强反应。这一结果暗示了V4中心视野较强的视觉信息处理能力。此外,成像结果显示,如果仅测试个别空间频率,将无法获得完整的皮层功能图(参见图4A, BC, D),无法准确地描述皮层中各性质的空间位置表征特性。


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4. 不同空间频率刺激所获得的V4功能图。A, B. 分别由DE中各空间频率的激活区域叠加产生的总方位、颜色功能图。A. 方位功能图。B. 颜色功能图。C. 不同刺激条件下的皮层活动中心位置比较。 D, E. 左列分别为方位、颜色功能图,右列为对应的激活区域(双尾t检验,p<0.01)。F, G. 沿M-L方向,不同位置处所激活的功能柱在各空间频率刺激下的面积百分比。


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5. 中心视野与外周视野皮层区域中,颜色、方位功能柱激活面积百分比随空间频率的变化。A. 中心视野及外周视野对应皮层区域示意图。B,C.两区域中激活的不同功能柱(颜色功能柱:橘色线条;方位功能柱:蓝色线条)区域占该空间频率下V4全部激活功能柱区域的比例变化。颜色功能柱的数据来自3个半脑的4次实验;方位功能柱的数据来自5个半脑的7次实验。


在获得了同一区域的功能图后,就有可能不同视觉信息属性表征之间的空间关系。如图6所示,研究团队分析了皮层中方位图中的方位变化梯度与空间频率图中的频率变化梯度之间的关系。结果显示,在V2V4中的方位选择性区域内(如图6B, F, J, N中的白色区域),方位和空间频率属性的梯度线夹角以大角度(60°-90°)为主(倾向正交,如图6D-O所示);而在非方位选择性区域内(见图6P-U),则不存在这一现象(如图6P-U所示)。

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6. V4V2的方位功能图与空间频率功能图的关系。A. 方位偏好图,不同的颜色代表不同的方位偏好。B. 方位选择强度图,灰度代表归一化方位选择性强度,0:无方位选择性;1:仅对特定方位响应,强方位选择性。C. AB的综合结果,方位选择性偏好图,青色框为分析的示例区域:一个V2区域(D-G),两个V4区域(H-KL-O),两个非方位选择性V4区域(虚线框,P-RS-U,作为参照)。D, H, L, Q, T. 等空间频率梯度线(红线)和等方位梯度线(蓝线)。E, I, M, P, S.对应的方位选择性偏好图。F, J, N. 皮层中方位选择性较强的区域(白色区域),归一化方位选择性强度在0.5以上。G, K, O, R, U. 所选区域方位与空间频率梯度间夹角分布,虚线表示随机角度分布的预期值(11.1%)。V. 夹角分布比较,分别为方位选择性区域(n=15)的0-30°30-60°60-90°组,及非方位选择性区域(n=6)的60-90°组。


研究团队也分析了空间频率功能柱与颜色功能柱之间的关系。结果显示在V2V4区中,颜色功能柱更倾向于在空间位置上与低空间频率功能柱绑定。此外,成像结果还显示,在V2中沿着V1-V2边界的方向上,存在空间频率偏好的周期性波动,这种波动形式与颜色选择性在V2中的波动类似,但两类波动间存在一定的相位差异(如图7所示)。


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7. 颜色功能柱与低空间频率功能柱在空间位置上关系紧密(A-D: V4; E-M: V2)。A,F.空间频率功能图,黑色区域偏好高空间频率,白色区域偏好低空间频率。B,C.V4低、高空间频率功能柱(灰色半透明区域)与颜色功能柱(橙色半透明区域)位置比较。D.V4颜色功能柱中低、高空间频率选择性区域所占比例统计结果。E,G,H.颜色功能图。G,HE中黄蓝两方框区域的放大结果。F,I,J.对应的空间频率功能图(F)及偏好图(I,J)。K,L. V2颜色选择性与空间频率偏好沿着V1/V2边界方向的变化比较。M.V2中颜色选择性与空间频率偏好的周期性波动示意图。


综上所述,研究团队通过视觉皮层大视场内源信号光学成像,研究了V2V4区中空间频率信息与离心度、方位、颜色信息在皮层空间位置上的表征关系。结果证明:(1) V1类似,V2V4区对空间频率的编码随离心率减少,逐渐由低空间频率向高空间频率转变。但V4中心视野对应区域具有广泛的空间频率响应,具有处理复杂多变图像信息的能力。(2) 空间频率与方位信息梯度正交。与已知的V1结果类似,在V2V4中,方位和空间频率信息梯度倾向于相互正交,使得在有限的皮层空间内,能够表征较完整的信息组合。(3)V1类似,在 V4V2中,颜色功能柱与低空间频率功能柱联系紧密。因此,自V1V4,视皮层采用了较为保守的结构形式,来表征空间频率、形状(朝向)、颜色等信息。所得结果,进一步推进了我们对于灵长类动物视皮层结构和功能的认识。


浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所/医学院附属第二医院/脑科学与脑医学系Anna Wang Roe教授胡嘉明特聘研究员Kenneth E. Schriver副教授为本文共同通讯作者博士研究生章颖第一作者。本研究受到了中国脑计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等的资助。实验室长期招聘对系统神经科学研究领域有浓厚兴趣的博士后、研究生。如有意向,请将个人简历发送至以下邮箱:hujiaming@zju.edu.cn



2023-02-17 READ MORE

神经调控由于其对临床治疗以及神经修复的重要意义而成为目前的研究热点。2023年1月30日,Brain Stimulation杂志发表了Pan等人(doi.org/10.1016/j.brs.2023.01.1678)关于将局灶性光刺激(近红外神经刺激,INS)用于人脑皮层神经调控的研究。这种新方法的独特之处在于,它为人脑皮层网络的解剖及功能提供了新的观测和解析方式。

先前的研究表明,1875nm光刺激(以0.25msec脉冲序列传递)产生微小的非破坏性热脉冲,刺激细胞膜电容变化并导致神经元放电。虽然该方法在细胞类型上不具有选择性,但由于能量发放时良好的空间限制性,该方法能够选择性刺激非人类灵长类动物的单个亚毫米(中尺度)功能位点(功能柱),引发了高度特异性的局部位点激活并引起全脑介观尺度网络的特异性激活。

在这项研究中,由浙江大学的神经科学家、神经工程专家和临床医生组成的跨学科团队共同开发了该定制仪器,用于术中通过微光纤传导INS,同时进行皮层反应的光学成像(图1A, 1B)。该设备旨在最大限度地减少大脑微小振动带来的噪音,允许成像相机快速精确地聚焦于皮层视野,并在皮层上精确地放置INS光纤。该研究通过IRB批准后将这项技术运用于5例癫痫患者脑皮层,在受试者癫痫病灶切除术中,于30-40分钟时间内采集脑皮层对INS刺激反应的光学成像数据。

结果(图1C)表明,人体感觉皮层的INS刺激引发亚毫米级的激活,包括刺激部位的激活(红色像素点)和附近部位的相对抑制(蓝色像素点)。成像反射率的量化表明,刺激部位(图1D,左)和附近部位(图1D,右)的激活都是强度依赖的。邻近部位反应对INS刺激位点的这种依赖性反映了局部的功能连接。我们的结果比对非人灵长类中的平行研究,都提示局部介观尺度皮层网络的类似激活。INS刺激的组织学评估显示,损伤阈值与先前在动物研究中相似。


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1人脑皮层INS实验(A):通过丙烯酸固定窗插入光纤进行红外神经刺激(INS)的应用下图为设备原理图(B)皮层视野光学图像(病例3)标尺:1cm(C) INS刺激(STIM)导致中枢激活(红色)和附近相对抑制(蓝色)(病例4)颜色图:p标尺: 2毫米(D)皮层反应的时间过程(反射率变化)显示刺激部位(红色像素)和临近部位(蓝色像素)INS刺激的强度依赖(0.4-0.8 J/cm2)

 

这项研究具有非常重大的意义。结果表明,INS可在术中有效地应用于人类大脑皮层,并且可被定量地控制为刺激强度依赖性的传导。损伤阈值评估也表明可进行在体应用而不会对人类脑皮层造成伤害。总之,该研究表明INS的良好应用前景,可选择性刺激人脑中的介观功能网络,并为精准和个性化医疗提供了新的刺激调控手段。此外,该研究还发现人类和非人灵长类动物大脑皮层在介观尺度上存在较强的功能相似度,这一发现对大脑组织原理和进化生物学具有根本影响。展望未来,由科学家、工程师和临床医生组成的跨学科团队对开发新型临床诊疗技术的重要意义是不可低估的。


Pan L*, Ping A, Roe AW**, Zhu JM**, Xu KD** (2023) Infrared neural stimulation in human cerebral cortex. Brain Stimulation, published Jan 30, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.brs.2023.01.1678



2023-02-16 READ MORE

20221221日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所/医学院附属第二医院赖欣怡教授团队,联合医学院附属第二医院张宝荣教授团队和医学院附属邵逸夫医院吕文主任医师团队,在Nature合作期刊npj Parkinson’s Disease杂志上发表了最新研究成果“Diffusion along perivascular spaces as marker for impairment of glymphatic system in Parkinson’s disease”,揭示帕金森病(Parkinson’s diseasePD)患者的脑类淋巴系统功能受损,且受损程度随着疾病病程进展增加,为脑内淋巴系统在PD发生的病理生理机制提供了新的证据,对PD的病程评估提供重要的参考依据。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41531-022-00437-1


脑类淋巴系统是大脑中的排毒系统,通过组织间隙与血管周间隙(perivascular space, PVS)之间的液体交换,清除脑内代谢废物及毒素。研究表明脑类淋巴系统帮助清除与神经退行性疾病相关的神经毒性蛋白(如阿尔茨海默病相关的β-淀粉样蛋白、PD相关的α-突触核蛋白)。脑类淋巴系统清除功能受损,可能导致并加重病理性α-突触核蛋白的沉积,从而对多巴胺能神经元产生损伤,诱发或加剧PD的症状。因此,评估淋巴系统的整体功能可进一步阐明PD的病理生理机制,有助于寻求可能的治疗目标和治疗策略。

早期脑类淋巴系统的研究多集中在动物模型上,受限于安全性及技术可行性,用于评估人体脑类淋巴系统功能的指标相对缺乏。目前神经成像技术的快速发展,为在体脑类淋巴系统检测提供了安全无创的研究手段。血管周间隙扩散张量成像(diffusion tensor image along the perivascular space, DTI-ALPS)是一种可用于无创评估脑类淋巴系统功能的方法,通过测算PVS内水分子的扩散,间接反映脑类淋巴系统的功能改变。同时,可通过计算相关脑区的PVS负荷评估脑内类淋巴系统的结构改变。近年来发展起来的高磁场强度7.0T MRI能获取高分辨率与高信噪比图像,从而获取更精准的信息。赖欣怡课题组通过超高场强7T MRI技术研究PD患者脑类淋巴系统功能及结构的改变,探究脑类淋巴系统损伤与PD临床症状的相关性,阐述脑类淋巴系统受损是否与PD发生发展相关。

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首先,课题组采集T2加权磁共振成像(T2WI)数据,分别对左右侧半球基底节区的PVS负荷的数量及体积进行定量,获得PVS负荷评估指标。随后利用多波段回波平面弥散加权成像,分别进行左右脑侧脑室旁的DTI-ALPS指标的计算。研究发现,与健康对照相比,PD组在疾病早期时,左侧大脑半球的DTI-ALPS指数显着降低;在疾病中晚期时,双侧大脑半球的DTI-ALPS指数均显着降低。与临床数据进行关联分析时发现,右侧大脑半球的DTI-ALPS指数与UPDRS-IIIUPDRS总分负相关;左侧大脑半球的DTI-ALPS指数与疾病病程及LEDD负相关。同时针对PVS负荷指标,课题组发现与健康对照相比,PD患者的右侧基底节区PVS数量及体积均显着升高。同时对两个指标进行关联分析,发现右侧大脑半球的DTI-ALPS指数与同侧的PVS数量及体积呈显着负相关。

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根据研究结果推断,PDDTI-ALPS指数下降所反映的脑类淋巴系统功能改变可能具有偏侧性特征,起始于左半球并随着疾病的发展逐渐累及右半球。且DTI-ALPS指数的降低与PVS负荷的增加相关,表明这两个指标可以互相补充,分别从功能和结构的角度反映脑类淋巴系统的损伤情况。可见,这两个脑类淋巴系统的MRI评估有望成为评估PD病程进展的影像学标志物。

浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所博士后沈婷及浙江大学医学院附属邵逸夫医院神经内科岳玉梅医生为共同第一作者,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所赖欣怡教授、浙江大学医学院附属第二医院张宝荣教授及浙江大学医学院附属邵逸夫医院吕文教授为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目、浙江省科技计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金资助、之江实验室等的资助。


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图:赖欣怡教授研究团队成员合影

(从左到右:谭晓君,徐玉,渠博艺,沈婷,赖欣怡,岳玉梅,余晓,何婷婷,王海铭)


2022-12-22 READ MORE

Zaraza D*, Chernov MM*,Yang Y, Rogers JA, Roe AW**, Friedman RM**(2022) Head mounted optical imaging and stimulation system for use in behaving primates. Cell Reports Methods.

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266723752200248X    


目前,非人灵长类动物研究的一个热点新方向是研究自然行为过程中的大脑活动。在视觉研究中,传统方法采用头部约束、非自然或固定的注视行为和隐蔽的注意范式。现在,随着新技术和更好的计算方法的出现,克服这些挑战变得可行。这项研究以相对较低的成本,在非人类灵长类动物中通过使用微型化组件、无线技术和与现有大脑窗口的可适应接口朝着这一方向迈进了一步。为了开发一种无线方法来诱导非人灵长类动物的视觉感知的变化,我们开发了一种用于皮层活动神经调控的无线光遗传刺激器。该系统还与一个配备了微型摄像机的头部光成像系统相结合,用于监测光遗传神经调控过程中视觉皮层活动的功能性特定变化。该系统目前用于研究猴子坐在灵长类动物椅子上的大脑活动,并为研究自然外观行为背后的神经回路迈出了重要的一步。

在这里,我们描述了一种用于灵长类动物的、易于连接到颅内腔室的光学成像和刺激设备。它由价格合理的商用或3D打印组件组成:单色相机、小型标准镜头、由感应线圈驱动的无线µLED刺激器和用于照明的LED阵列。我们表明,在揭示清醒猕猴在灵长类动物椅子上或麻醉下的视觉皮层功能组织方面,该设备的内在成像性能与标准台式系统相当。成像揭示了无线聚焦光遗传刺激对特定功能域的神经调控作用。通过提供1-2厘米的视野,比之前在非头部约束灵长类动物中使用的视野大100倍,我们的设备证明了广角光学成像和光遗传刺激在未来非人灵长类动物行为学研究中的可行性。


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图、仪器和方法说明:左侧描绘了(1)头戴式微型光学成像CCD相机(尺寸3cm)。(2)带有红色和绿色照明的微型LED。(3)适配器套环(灰色)用于安装在(4)固定在颅骨上的光学腔室(黑色)上的。(5)可插入到腔室中的可移动无线刺激器,以及(6)保护大脑皮层的人造硬脑膜帽。红色圆圈代表猴头腔室,位于猴大脑视觉区域V1、V2和V4的2cm区域上。右上角是相机在窗口中看到的内容(红色大圆圈)。左边的视图显示了一个方位图,显示了V1中的方位域、V2中的方位条纹和V4中的方位带。实线是月状沟,虚线是V1和V2的边界。右侧视图显示了将病毒载体AAV注射到选定位置后,通道视紫红质的病毒表达。还描述了通过无线刺激器的蓝光进行的光遗传激活,该刺激器由位于头部上方的感应线圈供电(由右上方的弯曲蓝色线表示)。右下示意图描绘了单个功能域的无线光遗传刺激(例如:方向、颜色、运动和视差域,均由彩色圆盘表示)。一个功能域的激活反过来又激活了V2和V1中其他相连接的功能域(cf. Hu et al 2022 Curr Biol 32:2797-2809.e3)。我们展示的该方法实现了局部中尺度皮层回路的神经调控(通过刺激期间激活网络的微型摄像机成像),旨在实现自由行为猴的同步行为调控。


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