研究大规模大脑网络的利器——新型光学和功能磁共振成像平台

　　

   

   

通过功能磁共振成像和光纤光度法检查默认模式网络。    

当我们做白日梦或重温记忆时，我们大脑中的一大片区域会“亮起来”，变得更加活跃。它被称为默认模式网络(DMN)，因为当大脑不专注于外部世界时，它更活跃。许多大脑疾病，包括阿尔茨海默氏症、注意力缺陷/多动障碍和情绪障碍，都与DMN的问题有关。然而，DMN的神经生理学基础尚不清楚。

神经成像技术，如功能磁共振成像(fMRI)，不能直接测量神经元活动。为了解决这一知识鸿沟，由Ian Shih博士领导的研究团队创建了一个新的实验平台，能够在啮齿动物全脑fMRI中光学记录局部神经元活动。Ian Shih博士是神经病学部门的教授和副主任，也是生物医学研究成像中心的副主任。Shih说:“我们希望这项工作将为未来旨在控制大规模大脑网络的转化研究铺平道路。这可能有助于为许多神经和神经精神疾病设计基于网络的治疗方案。”

这项研究发表在《Science Advances》杂志上，研究了与DMN相关的大脑区域的动态活动，并用各种计算方法对它们进行了分析。

DMN是我们大脑的大规模大脑网络之一。当我们第一次了解大脑时，我们被告知大脑的每个部分都有不同的功能。但事实是，在行为和认知过程中，许多大脑区域同时激活和失效，并形成大规模的大脑网络，就像一个团队。

神经科学家们对这些大规模网络越来越感兴趣，因为他们了解到某些认知任务依赖于“功能连接”的大脑区域。当一个人清醒和休息时，比如做白日梦、找回记忆或展望未来时，DMN是活跃的。

然而，获得了解人类受试者动态DMN活动所必需的神经元数据具有挑战性，因此Shih和团队转向动物模型来研究网络，其中推定的DMN相关的大脑区域已经被确定。

“我们使用了一个啮齿动物模型，其中基因编码的钙传感器在神经元中表达，”第一作者Zihao Harry Chao博士说，他在Shih实验室建立并验证了这个实验平台。“这使我们能够在不干扰fMRI信号测量的情况下，通过光纤检测荧光变化，记录多个DMN相关大脑区域的神经元活动。”

光纤测光法使用光纤光学来传递特定波长的光，以激发对该波长响应的荧光蛋白，并记录活性依赖的光发射。通过这一过程，科学家可以直接测量大脑特定位置内特定细胞群或神经化学物质的活动。

利用这个新颖的实验平台，Chao和同事们证明了大脑中一个区域的激活——前岛皮层——与抑制或“关闭”默认模式网络有关。

在人脑中，岛叶皮层位于皮层中，由额叶、顶叶和颞叶“隔离”。脑岛负责大脑中的几个重要功能，包括处理我们的五种感觉，控制手眼协调和自我意识。脑岛在社交和成瘾相关行为中也起着关键作用。

Shih解释说:“这是重要的神经元证据，强调了前岛叶皮层在控制DMN活动中的作用。”

在与另一位资深作者、斯坦福大学精神病学与行为科学系教授Vinod Menon博士的合作下，研究团队进一步使用先进的计算方法来识别这些条件下的大脑状态和信息流。

研究小组还发现，啮齿动物皮层的前边缘区域与DMN和前岛叶皮层的同步交替，这表明啮齿动物大脑中的前边缘皮层也可能在突出网络中发挥作用，突出网络是另一个对注意力、感觉处理和目标导向行为很重要的大规模大脑网络。

Neuronal dynamics of the default mode network and anterior insular cortex: Intrinsic properties and modulation by salient stimuli