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ANNA WANG ROE课题组在《科学 · 进展》发表论文:揭示一种全新的脑功能连接组研究方法INS-fMRI

[发布人]:cjg[发布日期]:2019-04-25[访问次数]:1521

2019年4月24日,浙江大学王菁教授(Anna Wang Roe)团队在《科学 · 进展》杂志上在线发表了题为Focal infrared neural stimulation with high-field functional MRI: A rapid way to map mesoscale brain connectomesXu et al., Sci. Adv. 2019; 5 : eaau7046, DOI: 10.1126/sciadv.aau7046的文章,标志着王菁教授(Anna Wang Roe)团队在脑网络研究方法上取得重大突破。他们开发的新技术INS-fMRI,首次将红外光刺激和磁共振成像结合在一起,这一全新的方法实现了在活体脑中快速系统地研究亚毫米级的脑连接组。


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为什么要绘制脑网络

正如人们出行时需要地图,理解大脑需要借助脑网络图谱。脑科学家探索大脑奥秘,进到脑内一座座“城市”中去,却没有完整的地图可以参考。然而信息从感觉输入,在脑内传递和处理,最终产生情绪和行为,这些都依赖于大量神经连接和脑网络。对于灵长类而言,绘制介观尺度的脑连接组尤为重要。这是因为灵长类大脑由功能柱整齐排布而成,每个功能柱(亚毫米级)恰好又对应特异的认知功能。因此,绘制介观尺度的脑网络,也就是弄清各个功能柱之间的连接,将极大地帮助我们理解灵长类(包括人类)大脑的工作原理以及脑疾病,将促进神经科学,心理学,医学和人工智能等领域的发展。

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现有方法不适用

想要绘制灵长类脑网络,现有的方法都有很大局限性。1)解剖学染色需要牺牲动物,注射位点少,制作大脑切片和图像重构非常费时。另外,结构连接并不是功能连接,就好像AB两座城市之间有路径相连,但不一定经常有汽车通行。2)静息态虽然可以研究脑区之间的相关性,但相关性不等于因果性。只有调节刺激某一个脑区,才能让有效连接发挥作用,引起相连区域的变化。3)刺激方法中,电刺激由于电流的扩散不能实现精准刺激。光遗传学方法虽然精准,但是需要转染病毒,转染效率不稳定,且在猴类中很难实施。

 

新方法 INS-fMRI 的原理

王菁教授团队最新开发的技术叫做 INS-fMRI 。它结合了聚焦红外光脉冲刺激(INS)以及超高场磁共振成像(fMRI)。红外光(波长1870纳米左右)脉冲被200微米直径的光纤照射到目标脑区,引起该脑区及相连脑区的神经反应。红外光之所以能够引起神经元反应的具体机制仍然没有定论。一种解释为热量被水分子吸收,改变细胞膜电容,最终引起神经元发放。也有人归因为神经元热敏蛋白通道的激活。且不论具体机制,多方面研究已经说明,一定能量的红外光脉冲可以激发或抑制神经元的活动。另一方面,基于血氧水平的超高场(7特斯拉)磁共振功能成像既可以研究全脑尺度各脑区的活跃程度,又可以使用高分辨率(亚毫米级)在小范围内研究各个功能柱以及皮层各个分层的活动。在这样的背景下,浙江大学团队将红外光这一刺激方法与功能核磁共振相结合,并完成了首次报道。

 

应用范例1:大尺度长程连接

Science Advances文章中,作者报道了两个应用范例,分别对应研究全脑尺度的长程连接,以及局部范围内的高分辨率短程连接。

 

在范例1中,光刺激被约束在猫右脑视觉皮层17-18区分界线附近一个亚毫米级区域。刺激引起了可重复并与激光强度相关的反应。其中:1、对侧左脑视觉区(18192021区)的次级反应体现的是大脑皮质与皮质之间的神经连接。2、右脑外侧膝状体的反应则反映的是大脑皮层与深部丘脑的连接。3、当激光强度由每平方厘米0.3焦耳增强到0.7焦耳时,激活区域仍相似,但连接位点的激活幅度和激活区域都有所增大。4、同时在高强度刺激下,作者观察到对侧丘脑的反应。这一现象很有可能是神经信号经过多个突触的传递而出现。也就是从右侧视觉区到左侧视觉区,再到左侧丘脑的传递。

 

总的来说,在这一范例中,连接位点与刺激位点距离遥远;反应在空间上精细、特异,与已知解剖学证据吻合。

 

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应用范例2:高分辨率短程连接

在范例2中,光脉冲被传递到松鼠猴负责触觉的躯体感知区,并激活几个极具特征的神经回路。其中,刺激中指在布罗德曼3b区的皮层,激活了其他手指在3b区的功能位点;也激活了中指在3a区,1区和2区的多个功能位点。这些回路具有特殊的行为学意义,因为不同手指获得的感觉需要经过整合来指导运动,例如抓取;而通过同一手指又能获得不同形式的触觉。


更有意思的是,在高分辨率的功能成像条件下(0.27x0.27x1.5毫米),作者观察到皮层不同分层的反应,从而能够区分从低级到高级脑区的前馈投射,和从高级到低级脑区的后馈投射。这一实验的刺激位点在布罗德曼2区。而连接位点一部分出现在M13a的中间层。另一部分出现在3b1区的表层和深层。通常到达中间层的为前馈投射,而到达非中间层的为后馈投射。所以这一结果几乎与前人的解剖学染色结果完全一致。也即2区前馈投射到3a,后馈投射到3b1区。因此INS-fMRI可以不牺牲动物,在活体实验中快速识别和区分前馈和后馈投射。

 

评价和展望

在两个案例中,作者证明了INS-fMRI方法研究脑网络的可行性。视觉系统实验中获得的有效连接与已知的远程连接吻合躯体感觉皮层研究中的精细短程连接也与前人的工作几乎完全一致。可以看出,这一方法具有多方面的优点

1. 活体。INS-fMRI可以在活体内研究有效连接,大大减少使用动物的数量。并且可以对动物持续进行跟踪研究,例如研究大脑发育。

2. 快速。实验结果可以快速地以三维形式呈现,在1-2小时的扫描中即可获得初步结果。

3. 精准。聚焦红外光脉冲的一个优点是将能量传递到极小的空间,实现精准刺激,并引起连接点反应的空间特异性。

4. 高分辨率。借助超高场磁共振实现的高分辨率,该方法可以研究单个大脑皮层功能柱的连接组,也可区分皮层不同分层的反应,继而识别前馈和后馈投射。

5. 可量化。连接强度可以经由血氧反应,量化为反应的幅度和相关性。

6. 系统性研究。该方法可以被用于系统性地逐个刺激皮层功能柱,从而全面地描绘灵长类介观水平连接组。

 

总之,这一方法的应用将可能帮助我们深入理解大脑的连接方式和工作原理,继而更好地理解疾病和精准调控相关脑结构和功能。

 

文章作者:

该文章的共同第一作者为科研助理徐国华和博士生钱美珍。通讯作者为张孝通博士,陈岗博士和王菁博士。

 

论文连接:https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaau7046

 

文章英文摘要:

 

We have developed a way to map brain-wide networks using focal pulsed infrared neural stimulation in ultrahigh-field magnetic resonance imaging (MRI). The patterns of connections revealed are similar to those of connections previously mapped with anatomical tract tracing methods. These include connections between cortex and subcortical locations and long-range cortico-cortical connections. Studies of local cortical connections reveal columnar-sized laminar activation, consistent with feed-forward and feedback projection signatures. This method is broadly applicable and can be applied to multiple areas of the brain in different species and across different MRI platforms. Systematic point-by-point application of this method may lead to fundamental advances in our understanding of brain connectomes.


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