事件

2023年9月22日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所的Hisashi Tanigawa副研究员课题组在《Cell Reports》上发表了题为“Mapping information flow between the inferotemporal and prefrontal cortices via neural oscillations in memory retrieval and maintenance”的最新研究结果。在这项研究中,该团队使用了从猕猴下颞叶和前额叶皮层记录的皮层脑电信号,成功地识别了猴子执行记忆任务时下颞叶和前额叶皮层之间在特定频率的信息流模式。他们发现,两个皮层主要通过θ波段交换与记忆相关的信息;在工作记忆维持过程中,信息交流增强,并在ITC形成集群,表明皮层的子区域在振荡记忆网络中起着关键节点作用。浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所博士研究生周涛为本文第一作者Anna Wang Roe教授Hisashi Tanigawa副研究员为本文共同通讯作者

原文链接:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(23)01181-6


在日常生活中,我们需要根据学习经验选择应对不同场景的适当行动。因此,从记忆中提取信息并将其保存在工作记忆中以备将来使用的能力至关重要。视觉联想长期记忆的研究表明,下颞叶皮层 (inferotemporal cortex, ITC) 和前额叶皮层 (prefrontal cortex, PFC) 在视觉记忆提取和工作记忆维持过程中具有重要作用,并且两者之间存在双向的解剖学连接和功能性连接。PFC从ITC接收自下而上的视觉信息,此外还通过自上而下的信号调节ITC的视觉神经反应,特别是诱导与记忆提取相关的活动。因此,在视觉信息加工和视觉联想记忆提取方面,ITC和PFC之间存在自下而上和自上而下的信息流。

神经振荡被认为是不同脑区之间的信息传递的一种机制,不同频率的神经振荡可能反映特定区域之间信息传递的不同方式。在ITC和PFC中,电生理和成像研究揭示了表征面部、颜色和各种视觉特征的功能组织。此外,使用皮层脑电图 (electrocorticography, ECoG) 和模式分类分析的研究表明,与记忆提取有关的神经振荡在ITC中主要体现在θ波段 (4–8 Hz) 上。

图一 ITC和PFC通过神经振荡实现双向信息传输示意图

基于这些发现,作者团队假设,与记忆提取和工作记忆维持过程相关的信息流通过神经振荡有组织地分布在ITC和PFC中,并提出以下问题:与记忆提取相关的信息流在空间分布上是分散的还是聚集的?在这项研究中,作者团队通过与记忆提取和工作记忆维持相关的神经振荡来ITC和PFC之间的信息流,使用高密度ECoG记录和非参数格兰杰因果分析 (Granger causality, GC) 来回答这些问题。GC 可以通过测量一个时间序列中过去信号对预测另一个时间序列中当前信号的影响来可视化信号通道间的信息流,因此能够评估序列之间信息流的方向和大小。

研究者对两只猕猴进行了任务训练,要求它们执行一项颜色回忆任务,其中包括回想三种颜色(红色、绿色或蓝色)中的一种(图二)。猕猴需要将两组视觉刺激中的无色图形 (提示) 和着色图形 (目标) 关联记忆,当呈现一个无色刺激时,猕猴需要回忆起与之关联的着色图片。如果目标刺激的颜色与最开始呈现的无色刺激相关联 (如图中的绿色),则猕猴松开操纵杆并获得果汁奖励。这意味着这只猕猴应该在延迟期间回忆起了它应该响应的颜色。此外研究者还训练猕猴执行另一个注视任务作为对照,猕猴只需要注视无色提示刺激,不需要进行回忆和选择,并在延迟一段时间后松开操纵杆获得奖励。


图二 颜色回忆任务

通过植入的192通道电极阵列 (ITC中16✕8,PFC中8✕8,电极中心距为2.5mm),研究组记录了猕猴在执行这些任务期间ITC和PFC的皮层脑电信号。从记录的信号中提取不同频段的神经振荡信号,并使用非参数格兰杰因果方法来量化ITC和PFC的电极通道间相互影响的程度。

结果表明,猕猴在记忆提取和工作记忆维持过程中,ITC和PFC之间通过特定频带的神经振荡传输更多信息流。在θ波段,当延迟期内工作记忆维持处于较强的水平时,无论线索刺激如何,ITC中信息流增强的区域都以相似的模式出现并形成集群 (图三)。在延迟期间,ITC到PFC和PFC到ITC的θ波段信息流在两个皮层的相似区域增强,表明这些区域存在双向信息交换。


图三 回忆和注视任务在延迟阶段的格兰杰因果影响分布

此外,通过计算ITC和PFC内所有通道对另一皮层传输的信息流分布特征的相似性,并使用层级聚类 (Hierarchical clustering) 对具有高相似度信息流分布特征的通道进行聚类 (图四A),作者发现ITC中信息流增加的区域由流入PFC和流出PFC的不同模式的子区域组成 (图四B),这些ITC和PFC中聚集的子区域可能在记忆提取和工作记忆维持过程中作为皮层信息处理网络的节点。



图四 工作记忆维持期间ITC和PFC间在θ频段具有相似信息流传输模式的子区域的分布示意图


总结


Hisashi Tanigawa 副研究员

博士于2001年在日本大阪大学医学院获得博士学位。 随后,他分别于日本理化学研究所脑科学综合研究中心(2002年到2006年) 、 美国范德比尔特大学心理所(2007年到2011年)从事博士后工作。 随后,他担任了日本新潟大学医学院的助理教授(2011年至2013年) 、 以及新潟大学跨学科学术中心的副教授(2013年到2017年) 。 在2017年5月,他正式加入浙江大学。


研究方向:

课题组的研究目标是在灵长类大脑皮层中探索高级认知功能(如物体识别,注意,工作记忆,长时程记忆)背后的神经机制。我们的研究着手于猕猴腹侧视觉通路,以及前额叶皮层的功能和解剖结构。实验室在猕猴上采用多种实验技术(包括内源信号光学成像,皮层脑电图,多电极阵列记录, 近红外神经刺激,神经示踪)开展这些研究工作。


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2023-09-26 READ MORE

2023年8月7日,浙江大学白瑞良团队与瑞典林雪平大学Evren Özarslan团队Journal of Chemical Physics杂志在线发表了最新研究成果:Using Deep Learning to Accelerate Magnetic Resonance Measurements of Molecular Exchange,该文首次提出基于深度学习,以提高参数估计准确度为直接目标函数,在指定采样率约束下优化分子交换磁共振测量的采样轨迹,该工作有助于进一步推进分子交换磁共振测量技术在临床研究中的应用。


原文链接:

https://doi.org/10.1063/5.0159343


分子从一个微环境到另一个微环境的动态迁移通常称为分子交换,实时测量分子交换对于理解分子在生物、地质等介质内的动态过程具有重要意义。例如在岩石物理学中,分子交换速率与岩石渗透性息息相关,是评估石油开采潜力的重要参数。在生物学中,微环境之间的分子交换与细胞膜渗透性和主动运输过程相关,这对理解细胞功能和活性至关重要。目前多维核磁共振光谱技术可以对复杂的分子交换系统进行全面详细的分析,并且作为一种非入侵性技术,在生物研究领域广受青睐。然而多维波普技术的采集时间较长,这限制了他们在研究人体/动物体内的应用。因此,提高分子交换磁共振测量技术的效率和准确度十分关键。本研究以扩散交换光谱(DEXSY)序列为示例,提出了一种基于深度学习优化分子交换磁共振测量采样轨迹的方法,并验证了其可行性,此外,该方法也可用于其他的分子交换磁共振测量技术,例如弛豫交换光谱(REXSY)。

图1 (a)DEXSY序列示意图。(b)基于深度学习优化DEXSY序列采样轨迹网络结构示意图。


本研究通过构建统一的网络结构(图1(b))实现以参数估计准确度直接目标函数的采样轨迹优化,该网络主要包含:(1)采样轨迹优化模块:该模块模拟DEXSY序列(图1(a))信号生成过程,根据特定的生物物理条件(生理参数,采样轨迹)生成磁共振信号;(2)生成噪声信号模块:该模块通过添加莱斯噪声模拟真实信号采过程中噪声的引入;(3)参数估计模块:该模块利用神经网络求解逆问题的优势,构建网络代替传统的拟合方法估计参数;(4)损失函数:该损失函数由估计生理参数与真实生理参数的均方误差组成,首次实现了以参数估计准确度为直接目标函数,优化分子交换磁共振测量采样轨迹优化。

本研究从三个方面对提出方法的性能进行了验证。参数估计准确度分析结果显示(图2),相比于现有研究提出的采样轨迹(图4(a)),基于本研究方法优化得到的采样轨迹采集的磁共振信号能够提供更准确的参数估计。扫描-再扫描可重复性分析结果显示(图3),无论是基于仿真数据集还是体外酵母细胞液磁共振测量数据集,本研究提出的方法参数估计的可重复性更高,对噪声的鲁棒性更强。此外,本研究定性分析了优化的采样轨迹与信噪比和采样率之间的关系(图4(b)和(c)),结果显示在不同的物理条件下,最优采样轨迹分布存在差异,证明了针对特定生物物理条件优化采样轨迹的必要性,同时采样轨迹的分布规律与先前研究和基本原理有较好的一致性,证明了该方法的合理性和可行性。


图2 参数估计准确度分析结果


图3 扫描-再扫描可重复性分析结果


图4 采样轨迹示意图。


浙江大学博士生程昭玮第一作者,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。本研究得到了国家自然科学基金、国际(地区)合作交流项目、科技部“科技创新2030”重大专项等的资助。



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。国家高层次青年人才、国家科技创新2030重点研发计划青年首席科学家、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50余篇,以第一作者/通讯作者发表在Nature Biomedical Engineering,PNAS,Medical Image Analysis,Neuroimage 等30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。


白瑞良教授研究团队合影



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2023-08-11 READ MORE

202377日,浙江大学系统神经与认知科学研究所Toru Takahata团队Cerebral Cortex期刊在线发表了最新研究成果:Visual experience-dependent development of ocular dominance columns in pigmented rats。本研究从新的角度研究了啮齿类动物眼优势柱的发育过程及可塑性,有助于更好地理解皮层柱结构的发育和进化。


原文链接:

https://academic.oup.com/cercor/advance-article/doi/10.1093/cercor/bhad196/7194196

 

与其他哺乳动物相比,灵长类动物具有分化更良好、功能更高级的大脑皮层。理解大脑皮层发育及进化机制,是一个重要的神经科学问题。皮层柱(Cortical columns)可见于许多脑区,是灵长类大脑皮层处理信息的基本功能单位。例如,在初级视皮层(Primary visual cortex, V1)中存在眼优势柱(Ocular dominance columns),不同的眼优势柱分别优先处理来自左眼或右眼的视觉信息。此前的研究普遍认为皮层柱仅存在于灵长类动物等较为高等的动物,而不存在于啮齿类动物的大脑皮层。但近年,Toru教授及其合作者首次证实Long-Evans大鼠具有眼优势柱。在本文中,Toru团队成员对大鼠眼优势柱的特征进行了更深入的研究。

本研究首先通过组织学方法展示大鼠眼优势柱结构。先对大鼠进行单侧眼球摘除,之后用原位杂交法检测其初级视皮层即早基因Egr-1 mRNA的表达模式,以显示眼优势柱结构。Egr-1是一种神经活动依赖性基因,其表达情况即是大脑皮层的神经元活动地图。在单眼摘除后,可以通过区分视皮层中有无Egr-1信号的区域,来明确左/右眼优势神经元的分布。本研究结果显示单眼摘除后,非白化的Long-Evans大鼠和棕色挪威(Brown Norway)大鼠视皮层中,左/右眼优势细胞是彼此分离的,形成眼优势柱结构,而白化的Wistar大鼠视皮层Egr-1的表达信号呈均一分布,说明其左/右眼优势细胞随机分布,不形成眼优势柱结构。以上结果说明眼优势柱可能普遍存在于非白化大鼠品系,非白化大鼠更接近野生型,这提示眼优势柱对于大鼠野外生存可能具有重要作用。而白化大鼠不具有眼优势柱,很可能是由于白化所导致的视觉系统异常。本研究也用相同方法展示了小鼠视皮层结构,发现非白化C57BL/6J小鼠视皮层的左/右眼优势细胞也呈现分离趋势,而白化Balb/c小鼠则没有这种表现(图1)。

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1左侧眼球摘除后Long-Evans大鼠(A)、Wistar大鼠(B)、Brown Norway大鼠(C)以及C57BL/6J小鼠(D)的Egr-1 mRNA表达情况。虚线示初级视皮层边界。MZ: monocular zone, BZ: binocular zone, LS: lateral segment, ISH: in situ hybridization.

 

之后,本研究将相同方法应用于不同发育阶段的大鼠,以进一步研究大鼠眼优势柱的发育过程。Egr-1 mRNA原位杂交结果表明,在大鼠约2周龄,刚刚睁眼时,其眼优势柱尚未形成。此后,大鼠眼优势柱逐步发育成熟,在35日龄时,其眼优势柱结构已与成年大鼠高度相似。本研究还发现在黑暗中饲育的大鼠无法形成正常的眼优势柱,说明大鼠眼优势柱发育是依赖于视觉经验(Visual experience)的。若在发育关键期通过单侧眼睑缝合对大鼠进行单眼视觉剥夺,则被缝合眼对应的眼优势柱面积明显缩小,完好眼对应的眼优势柱面积明显增大(图2)。

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2. 关键期单眼剥夺对大鼠眼优势柱发育的影响。A实验流程示意图;B-E被单眼缝合的大鼠视皮层第四层Egr-1 mRNA原位杂交结果,BC图中大鼠分别在14-35日龄期间被缝合左、右眼,DE中大鼠分别在在21-35日龄期间被缝合左、右眼;F: 正常大鼠与单眼缝合大鼠V1双眼区中响应同侧眼输入的区域面积占比分析。

 

本研究还向幼年大鼠的眼球注射跨突触示踪剂WGA-HRP,并发现在大鼠睁眼之前,其单眼对应的丘脑-皮层神经末梢便已在同侧视皮层表现出斑块状聚集形式。该结果提示眼优势柱的发育也存在不依赖于视觉经验的机制,某些先天机制初步决定了眼优势柱的形成,而其发育成熟则依赖于出生至35日龄的视觉经验。

本研究阐明眼优势柱的形成和发育是先天因素和视觉经验共同作用的结果,为皮层柱的发育和进化提供了新的见解,并提示大、小鼠可成为未来研究皮层柱发育机制的良好模型。由于针对大鼠、小鼠的基因编辑技术较为发达,今后可善用这些技术,细致地研究眼优势柱发育的分子机制,并阐明眼优势柱的生理意义。

本文的第一作者为浙江大学系统神经与认知科学研究所博士研究生周秋盈Toru Takahata教授为本文通讯作者博士研究生李杭齐、姚松坪共同作者。本研究受到国家自然科学基金、科技部科技创新2030“脑科学与类脑研究重大项目的资助。

 


 

 



2023-07-12 READ MORE

202377日,浙江大学系统神经与认知科学研究所Toru Takahata教授团队与西湖大学高亮教授团队合作在Cerebral Cortex期刊在线发表了最新研究成果:Three-dimensional topography of eye-specific domains in the lateral geniculate nucleus of pigmented and albino rats。本研究研究了在大鼠的视觉通路的外侧膝状体(LGN)区域,眼特异性输入区域的发育过程、与视觉经验的输入的发育关联以及与眼优势柱(ocular dominance columnsODCs)发育的关联,强调了不同品系大鼠,不同物种在外侧膝状体和视觉皮层连接通路的不同点,有助于更好地理解皮层柱结构地发育和进化。


原文链接:

https://academic.oup.com/cercor/advance-article/doi/10.1093/cercor/bhad229/7220589


在灵长类动物或其他较为高等的动物中,其LGN和初级视觉皮层(V1)根据视觉输入的不同发育显示出层状或柱状结构。此前的研究普遍认为皮层柱仅存于较为高等的动物中,而啮齿类动物大脑皮层不具有该特殊结构。然而,Toru Takahata团队在有色鼠中证实了V1的眼优势柱的存在。同时,此前的研究发现,在有色鼠的背侧膝状体(dLGN)区域,同侧眼区域被分离成斑块结构。另一方面,与灵长类等动物不同,dLGN的拓扑结构在啮齿类动物的研究中并不详尽。在本研究中,Toru团队成员通过注射在大鼠的眼睛和皮层注射不同示踪剂,对大鼠的dLGN区域的眼特异性输入的品系差异、发育情况及可塑性等进行研究。

本研究首先通过双眼注射不同的示踪剂展示成年大鼠的dLGN的同侧眼输入形成的斑块。与此前的研究结果相同,大鼠的dLGN区域形成了直径150μm以内的同侧眼特异性的斑块(下文简称为“斑块”)。另外,在不同品系的大鼠的对比结果中,发现斑块普遍存在。即使在白化大鼠dLGN中也拥有该结构,尽管在白化大鼠中体积较小(图1)。

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1. 不同品系成年大鼠dLGN眼特异性斑块标记冠状面切片。第一排:Long-EvansLE)品系,第二排:Wistar品系,第三排:Brown Norway品系 ,最底排:LE/W mixed(公LE大鼠和母Wistar大鼠的第一代杂交鼠)。

 

之后,本研究使用相同的方法研究不同发育阶段的大鼠和改变视觉输入的大鼠,进一步研究大鼠dLGN区域斑块的发育过程和与视觉经验输入的关联。对dLGN的冠状面切片的观察和分析结果显示,在有色鼠和白化鼠的dLGN中,斑块在眼睛未睁开时就已经成型。但随着动物的生长,在有色大鼠中,斑块的占比逐渐增加,而白化鼠中基本不变(图2)。长期黑暗饲养的结果表示,dLGNV1中的眼分离需要视觉输入,但视觉对dLGN的眼分离影响较小,而且不会破坏斑块的形成。此外,在关键期的单眼剥夺处理会使dLGNV1的眼优势明显地转移到完整眼(图3)。

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2. 有色鼠和白化鼠dLGN眼特异性斑块的发育过程和同侧/对侧眼输入标记在dLGN区域的分布分析。A, B, G: P9龄大鼠的冠状面切片和同侧/对侧眼输入标记在dLGN区域的分布曲线;C, D, H:P18龄大鼠;E, F, I:成年大鼠。A, C,E是有色LE/W大鼠,B, D, F是白化Wistar大鼠。

 

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3. 黑暗饲育和关键期单眼剥夺对有色大鼠dLGN眼特异性斑块发育的影响。A:实验流程示意图;B:视觉皮层第四层Egr-1 mRNA原位杂交结果;CLGN眼特异性斑块的标记的冠状面切片;DE:正常大鼠与黑暗饲育大鼠V1双眼区响应同侧眼输入的分析,同侧/对侧眼输入标记在dLGN区域的分布曲线;F, G: 正常大鼠与单眼缝合大鼠V1双眼区响应同侧眼输入的区域面积占比分析,同侧/对侧眼输入标记在dLGN区域的分布曲线。

 

此外,本研究通过皮层和眼睛注射多种示踪剂,结合冠状面切片和组织透明化技术,显示LGN的三维形态。通过皮层逆行示踪剂注射在dLGN的结果和已有的V1的视网膜拓扑映射研究,他们能够以一定角度观察大鼠dLGN的视网膜拓扑映射(图4)。结果还显示,LGN同侧斑块在任何角度都呈网状形态,并且在睁眼前已经发育,这与冠状面切片的结果一致。

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4. 大鼠dLGN的三维拓扑图。ALong-Evans大鼠的不同角度的3D拓扑图;BCWistarLE/W mixed 大鼠在视网膜拓扑映射的角度的3D拓扑图。


本项研究展示了dLGN的斑块在不同啮齿类动物中的体现,跟踪了有色大鼠和白化大鼠斑块的发育变化,并检查了斑块的视觉体验依赖性,提供了对dLGN斑块的发育及可塑性的见解。通过使用组织透明化技术获得的图像的基础上,dLGN 3D视网膜拓扑映射图像,为皮层柱的发育和进化提供了新的见解。

本文的第一作者为浙江大学系统神经与认知科学研究所博士研究生李杭齐Toru Takahata教授为本文通讯作者Toru教授团队的博士研究生周秋盈,西湖大学高亮教授团队的陈燕璐博士研究生胡慧洁高亮教授共同作者。该研究受到国家自然科学基金、科技部科技创新2030“脑科学与类脑研究重大项目、浙江省自然科学基金等的资助。



2023-07-12 READ MORE

2023年6月29日, 浙江大学医学院李晓明团队和高利霞团队在Neuroscience Bulletin在线发表题为“Induction of Anxiety-Like Phenotypes by Knockdown of Cannabinoid Type-1 Receptor in Amygdala of Marmosets”的研究论文。该研究首次在成年狨猴上使用在体基因编辑技术敲低了杏仁核大麻素1型受体(CB1R),并发现敲低杏仁核 CB1R 能够引起狨猴产生焦虑样表型。该研究由浙江大学医学院李晓明课题组和高利霞课题组合作完成。


原文链接:https://doi.org/10.1007/s12264-023-01081-2


杏仁核位于颞叶皮层下,是调控人类及哺乳动物情感和情绪的关键脑区。大量研究表明杏仁核结构和功能异常与抑郁症和焦虑障碍等多种神经精神疾病相关。大麻素1型受体基因(CNR1)编码的大麻素1型受体(cannabinoid type-1 receptor,CB1R)是内源性大麻素系统在中枢神经系统发挥作用的主要受体之一。在中枢神经系统中,CB1R 主要表达在突触前膜,通过调节突触传递来调控情绪和感觉。杏仁核有大量的CB1R表达,啮齿类动物研究发现杏仁核 CB1R 参与多种情绪的调控,但其在非人灵长类动物中的作用并不清楚。狨猴是一种小型非人灵长类动物,情感丰富,社交发达,是研究高级认知功能障碍和情绪障碍的理想非人灵长类动物模型,其杏仁核有大量 CB1R 表达。然而在非人灵长类动物中杏仁核 CB1R 是否同样对于情绪具有调节作用,这一问题并不清楚。

本研究通过CRISPR/Cas9在体基因编辑技术在成年狨猴杏仁核定点敲除CB1R基因,来探究非人灵长类动物杏仁核 CB1R 在情绪调控中的作用。首先,研究人员通过免疫组化染色和基因测序技术的方法证明了AAV 介导的CRISPR/Cas9基因编辑系统成功感染了成年狨猴杏仁核神经元并敲低狨猴杏仁核 CB1R。其次,通过行为学检测发现,杏仁核 CB1R 蛋白表达降低的狨猴表现出焦虑样行为,包括睡眠时间减少,睡眠质量下降等睡眠障碍,新环境运动增加等精神性躁动,社交发声减少等社交回避。最后,我们通过 ELISA 检测发现杏仁核 CB1R 敲除的狨猴血浆中皮质醇水平显著升高。

综上所述,本研究首次在成年狨猴上使用在体基因编辑技术敲降了杏仁核 CB1R,并发现敲降杏仁核 CB1R 引起狨猴产生焦虑样表型,揭示了狨猴杏仁核 CB1R 在调控焦虑情绪中的重要作用,加强了对非人灵长类动物中杏仁核大麻素系统功能的理解,为进一步研究杏仁核和内源大麻素系统在调节人类和哺乳动物情绪方面提供了新思路,并为焦虑障碍的诊断和治疗提供了潜在的靶点。

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该研究得到国家自然科学基金、国家脑计划、浙江省和广东省基金的资助。论文的第一作者为浙江大学博士生朱琳郑迪通讯作者为浙江大学医学院李晓明教授高利霞教授。 

 

关键词:杏仁核;大麻素1型受体;狨猴;焦虑;CRISPR/Cas9



来源 | 李晓明/高利霞课题组

编辑 | 史佳鑫


2023-06-30 READ MORE

2023年5月22日,浙江大学白瑞良团队与医学院附属第二医院楼敏团队Frontiers in Aging Neuroscience杂志在线发表了最新研究成果:Age-and time-of-day dependence of glymphatic function in the human brain measured via two diffusion MRI methods,该文利用两种弥散磁共振技术测量类淋巴循环系统的流入流出,进一步评估类淋巴循环系统在老龄化过程中的变化。

原文链接:

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnagi.2023.1173221/full


研究表明,类淋巴循环系统有清除大脑内代谢产物和废物的功能。类淋巴循环系统通过组织间隙与血管周围间隙(perivascular space, PVS)之间的液体交换,清除脑内代谢废物及毒素(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)。然而伴随着年龄的增长,类淋巴系统功能的受损是导致许多神经退行性疾病的关键风险因素。为了研究类淋巴系统在老龄化中的差异,我们使用两种非侵入性扩散磁共振成像(MRI)方法,测量了跨年龄段的健康志愿者(年龄为21-75岁)的类淋巴系统的流入和流出活动。

类淋巴系统包括三个重要的生理活动:(1)脑脊液从蛛网膜下腔进入动脉周围空间的流入过程(称为“流入”),(2)依赖水通道蛋白4(AQP4)的动脉周围脑脊液与脑实质间质液(ISF)之间的交换(称为“交换”),(3)脑间质废物产物通过静脉周围向外排泄(称为“流出”或“清除”)。在本研究中,针对类淋巴循环系统的流入特征,采用了超长回波时间和低b值的扩散张量成像(DTIlow-b)方法测量了沿着大脑中动脉的蛛网膜下腔(SAS)流动。针对类淋巴循环系统的流出特征,利用常规b值的扩散张量成像(DTI-ALPS)方法,测量沿髓静脉的血管周围间隙的流动(图1)。

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图1 实验设计流程以及弥散成像技术原理图

 

该研究首先通过在早上8点到晚上11点的五个时间点重复进行MRI测量(图1),评估了类淋巴系统活动的昼夜节律依赖性,结果显示在目前MRI测量的敏感性下,清醒状态下没有时间依赖性。进一步的重复测量分析显示了两种扩散MRI测量的高重复性,表明它们的可靠性(图2)。


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图2 类淋巴循环系统的昼夜节律分析以及可重复性检验

 

此外,类淋巴系统的流入速率在45岁以上参与者中显著高于21-38岁参与者(图3),而流出速率在45岁以上参与者中显著降低(图4)。类淋巴系统中不匹配的流入和流出活动(图4),可能是由于年龄相关的动脉搏动和水通道蛋白4极化的变化所致。

 

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图3 类淋巴循环系统流入特性的年龄依赖特性结果

 

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图4 类淋巴循环系统流出特性的年龄依赖特性以及流入流出特性之间对比

 

该研究的结果首次对比了类淋巴循环系统流入流出特性在不同年龄段个体中的变化趋势,为弥散磁共振成像技术在类淋巴循环系统在疾病中的进一步应用奠定了基础和方向。

 

浙江大学博士生韩广旭第一作者、浙江大学附属第二医院神经内科周颖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浙江大学附属第二医院神经内科楼敏教授共同通讯作者本研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等的资助。


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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。国家高层次青年人才、国家科技创新2030重点研发计划青年首席科学家、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 等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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来源 | 白瑞良课题组
编辑 | 史佳鑫




2023-06-16 READ MORE

202353日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所奚望副研究员Anna Wang Roe教授团队在Cell Reports在线发表题为“Single-microvessel occlusion produces lamina-specific microvascular flow vasodynamics and signs of neurodegenerative change” 的研究论文。该研究提出利用PLP血栓方法构建精准可控的微缺血模型,揭示了毛细血管血栓情况下的微血管网络的血流特征以及血管和神经元的精密联系,进一步拓展了对大脑皮层微血管在潜在的生理或病理的脑血流调控和神经退行性改变中的重要作用机制的了解。

原文链接https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(23)00480-1

 

大脑的正常功能与稳态维持依赖于复杂且高度互连的脑血管网络内血流的持续和正确输送。而血流的非正常扰动会影响大脑功能的维持,可导致神经元应激级联反应、炎症和细胞损伤,与微梗死和神经退行性疾病紧密相关。尽管已进行大量相关研究,但对微血管层面的微小病变及其对邻近组织的血液动力学和神经活动的影响还知之甚少。

研究团队通过前期工作建立了结合1070 nm激光与螺旋式扫描方法为核心的精准光血栓方法(precision ultrafast laser-induced photothrombosisPLP),激发形成了高效,安全且具有高度空间精准度的玫瑰红光活化诱导的光血栓。基于PLP方法,实现了在活体动物脑皮层内任意深度(0-815 μm)的各种尺寸血管的精确可控的血栓,为研究脑血管疾病和缺血性中风提供了一种实用和准确的血栓模型。


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1. PLP 方法诱导的光血栓形成的示意图

 

为了进一步研究微血管缺血是如何影响皮层血流以及功能变化,我们利用PLP方法构建了不同程度的局部微缺血模型,以期望揭示血管功能障碍下的血流重塑和功能变化机制,并推动神经血管耦合的精确时空关系以及缺血性中风发生和治疗机制的研究。通过单根毛细血管血栓的构建,量化研究了局部血管网络内血流动力学和拓扑结构的急性改变,揭示了局部血管网络的血流急性分配机制。血栓的毛细血管可能导致局部血流阻力逐渐恶化,从而限制下游缺血区域内的血液微循环。血管网络应对这种血栓性改变和可能的缺血性风险则是依赖于通过上游血管的血流重新分配,上游旁支血管的血流增加,以及下游新血流灌注通路的形成,从而挽救缺血区域以保证组织的正常需求。


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2. 单根毛细血管血栓后局部血管网络的血流动力学变化

 

随后进行了血栓后的持续追踪观察,探索了毛细血管血栓后的病理学改变以及长期的恢复机制和可塑性变化。结果表明血脑屏障的损伤渗漏是毛细血管在血栓后发生时间相对较晚的事件,并且大多在血栓位置的下游血管中观测到。因此在体内观察到的毛细血管血脑屏障损伤造成的功能障碍可能预示着上游血管的功能异常,并且可能导致梗塞的扩大,可能会加剧小血管疾病和神经退行性改变疾病的发生。同时,大多数毛细血管在 48-72 小时内恢复血流,表明大脑存在一种有效的策略可以在血栓后几天内进行毛细血管级别的血流重塑,并伴有血管形态的改变,这可能涉及到脑组织自身的稳态维持和修复机制。

为了探究局灶性的缺血和神经退行性改变的关联,本研究还通过构建精准可控的局部微缺血模型。结果表明完整的毛细血管血流灌注对于神经元的正常结构和功能的维持是至关重要的。单根毛细血管引起的灌注不足对神经元的影响是有限的,但邻近的数根毛细血管的血流完全阻断会导致更严重的缺血,可能在在数小时内对缺血核心内的神经元造成持续的破坏性打击,远端树突最先发生病理性改变,最终造成神经元功能损伤和退行性改变。


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3. 局灶性缺血诱发了缺血核心内的神经元的损伤以及退行性改变

 

此外,本研究还通过对不同脑皮层的特定毛细血管前小动脉的血栓构建,揭示了层级间血流的分配差异性,展现了层级特异的血流代偿和灌注通路。结果表明在毛细血管前小动脉栓塞造成缺血事件期间,Layer 2/3 具有相对薄弱的血流调节机制,毛细血管的拓扑网络和血流动力学机制不足以在此层面形成完善的血流代偿,而 Layer 4 具有更强大的血流代偿,在血栓后能立即形成新的血流通路,形成新的血流分配。



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4. 位于两个不同皮层的毛细血管前小动脉血栓引发了层级差异性的血流分配

 

综上所述,本研究补充了过去专注于大面积缺血性和出血性破坏的工作。通过微缺血模型的构建,揭示了微血管网络的新的血流特征以及血管和神经元的精密联系。了解潜在的生理或病理的脑血流灌注系统及其机制,特别是微小血管病变的急性生长演化过程,对于解析健康和疾病中的大脑功能及神经血管耦合机制,神经可塑性改变的潜在机制至关重要,也是开发缺血性中风及其关联的神经退行性疾病后出现的血流控制缺陷的治疗方式的先决条件。



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图:微血管血栓诱发局部血流调控变化以及和相关联的神经退行性改变

1. 单根毛细血管血栓导致快速的局部血流自动调节

2. 局灶性毛细血管血栓引起神经元退行性改变

3. 微血管血栓产生层级特异性的血流动力学改变

 


浙江大学奚望副教授Anna Wang Roe教授为本文的共同通讯作者,浙江大学生仪学院博士生朱亮为本文第一作者。该研究获得了科技部科技创新2030“脑科学与类脑研究重大项目,国家自然科学基金,浙江省领雁计划,浙江省自然科学基金,中央高校基本科研基金等基金资助,以及浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心、浙江大学生物医学工程教育部重点实验室等大力支持。


来源 | 奚望课题组
编辑 | 史佳鑫


2023-05-15 READ MORE

2023年4月20日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王朗课题组与基础医学院谷岩课题组合作的研究论文“GRM2 regulates functional integration of adult-born DGCs by paradoxically modulating MEK/ERK1/2 pathway”作为本期Journal of Neuroscience封面文章正式上线发表,揭示了2型代谢型谷氨酸受体(GRM2)通过MEK/ERK1/2信号通路调控成体海马新生神经元的发育及功能整合的分子机制马骄胡哲纯为论文共同第一作者。

原文链接:https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1886-22.2023 


成体神经发生是指哺乳动物中枢神经系统在成年后仍然能够持续产生新生神经元的现象,主要存在于侧脑室下区(SVZ)和海马齿状回颗粒层下区(SGZ。在成年大脑海马齿状回中产生的新生神经元经过大约4周的发育,原有的海马神经环路进行突触整合,从而发挥其生理功能。以往的研究表明,成体海马神经发生对海马相关的认知功能情绪调节中发挥重要作用。此外,成体新生神经元的发育异常也与多种神经系统疾病所伴随的认知功能障碍密切相关。因此,探究成体海马新生神经元发育及功能整合的调控机制对于深入理解成体神经发生的生理功能是必不可少的关键环节,并有助于寻找海马相关认知功能障碍的干预靶点。

2型代谢型谷氨酸受体(GRM2/mGluR2)属于G蛋白偶联受体家族GRM2的激活可以抑制神经元兴奋性和神经元轴突末梢的递质释放,从而参与调控突触传递和突触可塑性。研究表明,癫痫和阿尔兹海默症等神经系统疾病中GRM2在脑内的表达均有显著变化。在海马齿状回颗粒神经元中GRM2具有特异性高表达。以往的研究表明,海马成体新生神经元在发育到4周时,其轴突末梢突触传递可以被GRM2/3激动剂抑制,表明这时的新生已经表达较高水平的GRM2,具有和原有的成熟齿状回颗粒神经元相同的生理特性。然而,GRM2何时在新生神经元中开始表达,以及是否参与调控新生神经元的发育整合并进而调控海马依赖性认知功能尚不清楚。

研究人员首先通过RNA-scope方法确定GRM2在海马新生神经元和成熟神经元中的表达水平存在差异(图1A)。利用逆转录病毒特异性标记结合单细胞qRT-PCR的方法,作者阐明了GRM2在成体新生神经元中的表达发育谱线(图1B)。特异性敲降成体海马新生神经元中的Grm2后,作者发现神经元树突的总长度、分支数目及复杂程度均显著降低(图1C-F)。这一结果表明GRM2的表达是成体海马新生神经元正常形态发育的必要条件。


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图1. 特异性敲降Grm2抑制成体海马新生神经元的形态发育

 

研究人员进一步发现,敲降Grm2抑制了新生神经元树突棘的形成(图2A-C),并显著降低了新生神经元mEPSCs的频率(图2D-H)。同时,敲降Grm2也显著减少了新生神经元轴突末梢膨大的面积(图2I, J)。这些结果表明GRM2对于成体海马新生神经元在已有神经环路中进行树突与轴突的功能整合至关重要。


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图2. 敲降Grm2抑制成体海马新生神经元的突触整合


为了进一步探究GRM2调控神经元发育的分子机制,在体外原代培养的小鼠海马神经元中敲降Grm2的表达,发现敲降Grm2激活了MEK/ERK1/2信号通路,引起pERK1/2和pMEK水平升高(图3A-E),并引起pERK1/2的入核(图3F-G)。同时,研究人员还发现在体外培养的海马神经元中用药物激活MEK/ERK1/2通路可以模拟敲降Grm2后pERK1/2磷酸化水平的增加和神经元发育障碍(图3H-K)。



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3. 敲降Grm2激活MEK/ERK1/2信号通路


在成体海马新生神经元中敲降Grm2的同时,利用dnMapk1抑制MEK/ERK1/2信号通路的过度激活,则能够挽救因敲降Grm2导致的神经元发育障碍(图4A-E),以及小鼠认知功能缺陷(图4F-H)。因此,以上研究结果表明,GRM2通过调节成体海马新生神经元的发育与整合,进而调控海马依赖性的认知功能。



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4. 敲降Grm2导致海马依赖性认知功能障碍及挽救


综合以上实验结果,该研究发现了GRM2调控成体新生神经元发育和整合的分子机制,揭示了GRM2表达的降低导致MEK/ERK1/2信号通路的异常激活,从而导致新生神经元的发育缺陷。因此,GRM2除了参与调控海马齿状回成熟颗粒神经元的突触传递与可塑性,对新生神经元的发育过程也有重要的调控作用。这项研究揭示了成体海马新生神经元发育的一种新的内在调控机制,同时也为海马依赖的特定认知功能障碍的治疗提供了潜在的药物靶点。


浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王朗副研究员与基础医学院谷岩教授为本文共同通讯作者;博士研究生马骄博士后胡哲纯共同第一作者。本研究受到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等多项目资助。


来源 | 王朗课题组
编辑 | 史佳鑫



2023-04-20 READ MORE

2023年4月6日,浙江大学白瑞良团队联合山东省立医院刘英超团队在Journal of Magnetic Resonance Imaging杂志在线发表了最新研究成果:The Consistence of Dynamic Contrast-Enhanced MRI and Filter-Exchange Imaging in Measuring Water Exchange Across the Blood–Brain Barrier in High-Grade Glioma,该文比较了白瑞良团队发明的无创血管水交换磁共振成像技术和动态对比增强磁共振成像技术,验证了两种成像方法在测量跨血脑屏障水交换速率方面的一致性。

原文链接:http://doi.org/10.1002/jmri.28729

 

血脑屏障(BBB)由内皮细胞,紧密连接蛋白,周细胞和星形胶质细胞尾足上的水通道蛋白-4(AQP4)等组成,其在将溶质和必需营养物质转移到大脑的过程中起重要作用。研究表明,许多脑部疾病,如中风、阿尔兹海默症、脑肿瘤等都与血脑屏障功能障碍有关。血脑屏障通透性是评价血脑屏障功能的重要生物标志物,在动态对比增强磁共振成像(DCE-MRI)中,通常以造影剂的血管转移速率来评价血脑屏障通透性。而跨血脑屏障水交换速率(WEXBBB)是一种新型的、比造影剂更加敏感的血脑屏障评估方法。本研究以高级别胶质瘤病人为研究对象,旨在评估通过基于造影剂的DCE-MRI方法和完全无创的VEXI方法测得的WEXBBB的一致性,从而交叉验证磁共振在测量WEXBBB方面的可靠性。

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图1. VEXI技术和DCE-MRI测量跨血脑屏障水交换原理图

 

本研究通过对DCE-MRI时间信号曲线定量建模计算血管内外水交换速率(kbo),通过对VEXI交换时间(tm)-ADC曲线定量建模计算跨血脑屏障表观水交换速率(AXR BBB)。研究表明,相比于对侧正常脑白质区域(cNAWM),kbo和AXRBBB在肿瘤区域都有显著下降(图2),且相对kbo(肿瘤区域kbo除以cNAWM的kbo)和相对AXRBBB(肿瘤区域AXRBBB除以cNAWM的AXRBBB)之间没有显著相关性,表明这两个参数在测量跨血脑屏障水交换方面是类似的。


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2. 肿瘤区域和对侧正常脑白质区域不同参数的比较

 

除此之外,该研究在去除肿瘤影响区域后分割了正常脑白质区域(NAWM)和正常脑灰质区域(NAGM),研究发现,NAWM的kbo和AXRBBB都显著高于NAGM的对应数值。将肿瘤区域,正常脑白质区域和正常脑灰质区域的kbo与AXRBBB进行相关性分析,发现两者之间有显著的相关性(图3)。

 

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3. 肿瘤区域、正常脑白质区域和正常脑灰质区域的kboAXRBBB之间的相关性分析

 

该研究发现通过DCE-MRI测量的kbo与通过VEXI测量的AXRBBB是相似的且具有显著相关性,证明了两种方法在测量跨血脑屏障水交换方面一致性和可靠性。

 

浙江大学博士生王泽君第一作者、山东齐鲁医院王宝为共同第一作者,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,山东省立医院刘英超教授共同通讯作者。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。国家高层次青年人才、国家科技创新2030重点研发计划青年首席科学家、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 Engineering,PNAS,Medical Image Analysis,Neuroimage 等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 

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来源 | 白瑞良课题组
编辑 | 史佳鑫


2023-04-20 READ MORE
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