《Nature Neuroscience》新核磁共振成像探头可以揭示更多的大脑内部运作

追踪神经元群之间的联系可以帮助研究人员绘制行为和感知的大脑回路。

　　

麻省理工学院的生物工程师利用一种新型的功能性磁共振成像(fMRI)探针，设计出一种方法来监测单个神经元群体，并揭示它们是如何相互作用的。

就像时钟的齿轮以特定的方式相互作用来转动时钟的指针一样，大脑的不同部分相互作用来执行各种任务，比如产生行为或解释我们周围的世界。新的核磁共振探头可能会让科学家绘制出这些相互作用的网络。

麻省理工学院（MIT）生物工程教授艾伦·贾萨诺夫（Alan Jasanoff）说：“通过常规功能磁共振成像，我们可以同时看到所有齿轮的动作。但通过我们的新技术，我们可以提取出由齿轮与其他齿轮的关系定义的各个齿轮，这对于建立大脑机制的图像至关重要。”

使用这项技术，涉及到将核磁共振探针基因地对准动物模型中的特定细胞群，研究人员能够识别出与对奖励刺激作出反应的回路有关的神经群体。研究人员说，新的核磁共振探头还可以研究许多其他的大脑回路。

Jasanoff是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的《Nature Neuroscience》杂志上。该论文的主要作者是最近获得麻省理工学院博士学位的Souparno Ghosh和前麻省理工学院研究科学家Nan Li。

跟踪连接

传统的fMRI成像测量大脑中血流的变化，作为神经活动的代理。当神经元接收到来自其他神经元的信号时，就会触发钙的涌入，从而导致一种叫做一氧化氮的可扩散气体被释放出来。一氧化氮在一定程度上起到了血管扩张剂的作用，增加了该区域的血液流量。

钙直接成像可以提供更精确的大脑活动图像，但这种成像通常需要荧光化学物质和侵入性程序。麻省理工学院的研究小组希望开发出一种方法，可以在没有这种侵入性的情况下在大脑中工作。

Jasanoff说:“如果我们想弄清楚全脑细胞网络和全脑机制是如何运作的，我们需要一些可以在组织深处检测到的东西，最好能在整个大脑中立刻检测到。在这项研究中，我们选择这样做的方式本质上是劫持了fMRI本身的分子基础。”

研究人员发明了一种基因探针，由病毒传递，编码一种蛋白质，每当神经元活跃时就会发出信号。研究人员称这种蛋白质为NOSTIC(用于靶向图像对比的一氧化氮合酶)，它是一氧化氮合酶的工程形式。NOSTIC蛋白可以检测神经活动期间升高的钙水平;然后它会产生一氧化氮，从而产生一个人工的fMRI信号，这个信号只来自于含有NOSTIC的细胞。

这种探针由一种注入到特定部位的病毒传递，之后它沿着连接到该部位的神经元轴突移动。通过这种方式，研究人员可以标记每一个进入特定位置的神经群体。

Jasanoff说:“当我们使用这种病毒以这种方式传递探针时，它会导致探针在细胞中表达，从而为我们放置病毒的位置提供输入。然后，通过对这些细胞进行功能性成像，我们可以开始测量是什么让输入到那个区域发生，或者是什么类型的输入到达那个区域。”

在这项新研究中，研究人员用他们的探针来标记投射到纹状体的神经元群体，纹状体是一个参与计划运动和对奖励做出反应的区域。在小鼠身上，他们能够确定哪些神经群体在受到奖赏性刺激时或在受到刺激后立即向纹状体发送信息——在这种情况下，是对外侧下丘脑的脑深部刺激，这是一个涉及食欲和动机等功能的大脑中心。

研究人员对于大脑深部刺激外侧下丘脑的一个问题是，这种刺激的影响范围有多大。在这项研究中，麻省理工学院的研究小组表明，位于运动皮层和内嗅皮层等区域的几个神经群体，与记忆有关，在深度大脑刺激后，将输入信号发送到纹状体。

“这不是简单的来自大脑深部刺激或携带多巴胺的细胞的输入。在远端和局部都有这些其他的组成部分，它们决定了反应，我们可以通过使用这个探针来确定它们。”Jasanoff说。

在这些实验中，神经元也会产生有规律的fMRI信号，因此，为了区分来自基因改变神经元的特定信号，研究人员将每个实验进行两次:一次是使用探针，另一次是在使用抑制探针的药物治疗后。通过测量这两种情况下fMRI活动的差异，他们可以确定含有探针的细胞有多少活动。

研究人员现在希望使用这种被他们称为血液遗传学的方法来研究大脑中的其他网络，首先要努力识别大脑深部刺激后接收纹状体输入的一些区域。

Jasanoff说:“我们正在引入的方法令人兴奋的一点是，你可以想象将相同的工具应用于大脑的许多部位，然后拼凑出一个由这些输入和输出关系组成的连锁齿轮网络。这可以从神经群体的层面上，为研究大脑作为一个整体是如何工作的提供一个广阔的视角。”