长期以来，科学家探索大脑非侵入性核磁共振（MRI，Magnetic Resonance Imaging）成像新技术的脚步从未停止。
前不久，韩国成均馆大学生物医学工程系朴昌源（Jang Yeon Park）副教授团队和韩国大学大脑与认知工程系吉永英（Jeehyun Kwag）教授团队合作，开发了一种高时空分辨率下能对功能性磁共振神经元活体直接成像（简称为 DIANA，Direct Imaging of Neuronal Activity）的方法。此种方法不仅保持了原来的高空间分辨率，还将时间分辨率精确至毫秒。
【资料图】
（来源：Science）
近日，相关论文以《高时空分辨率下神经元活体直接成像》（In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution）为题发表在 Science 上[1]。
据了解，DIANA 方法通过血氧水平的依赖效应间接监测大脑中的血流变化，从而反馈出大脑中的神经信息，而不是像传统方式一样直接监测神经元的变化。
在 DIANA 的研发过程中，研究者改变了传统的核磁共振脑部扫描方式，使机器能够在不同时间点更快速生成脑部不同部位图像。
这一系列操作仅发生在毫秒之内，与人类思维速度相同。接下来，研究者将脑部图像按照正确结构拼接起来，借此得到不同时间点的脑部完整图像。
图 | DIANA 神经元活动的直接成像（来源：Science）
论文中提到，为了测试 DIANA 是否可以直接检测神经元活动，研究者进行了相关验证实验。首先，他们将麻醉的实验小鼠放进核磁共振扫描仪之中，并对小鼠左侧胡须垫进行电刺激(强度：0.5mA；持续时间：0.5 毫秒）。然后，将麻醉小鼠置于 9.4T 扫描仪内，并对单个 1 毫米的冠状脑切片进行成像。
与刺激胡须垫前产生的信号相比，DIANA 之中产生的信号显著增加，而未被刺激的小鼠与死后的对照组小鼠没有显著的变化。
最有趣的是，DIANA 信号峰值在刺激时间达到 25 毫秒时生成。这意味着，胡须垫被刺激后有 24.00±2.92ms 的反应潜伏期。这进一步验证了，DIANA 可以在毫秒范围内监测相应刺激所诱发的反应。
在获取信息的过程中，研究人员将线扫描方法与快速低角度拍摄梯度回波成像方法进行结合，以获取更清晰的图像。
图 | DIANA 高时空分辨率捕捉丘脑皮质的放电传播（来源：Science）
下一步的实验表明，DIANA 产生的相关信息随时间的改变一直在不断变化。根据相关结果反馈，在刺激小鼠胡须垫时间达到 10 毫秒之时，感知信息便出现在丘脑区域里。约 25 毫秒时，相关信号移至体感皮层另一区域。
图 | DIANA 直接监测光遗传技术刺激诱发的相关反馈（来源：Science）
为了更直接地验证 DIANA 能够对刺激进行相应的成像。研究小组还运用光遗传和电生理学等其它相关技术方式对小鼠相同大脑部位进行刺激。实验结果从不同角度反映出，DIANA 信号实际上是大脑神经元对外界刺激做出的相关反馈。
总的来讲，论文中提及的体内电生理学和光遗传学结合实验结果表明，DIANA 确实能够以高时间（5ms）与空间（0.22mm）分辨率直接绘制出生物体内的脉冲活动。不仅如此，由于具有高时空分辨率优势，DIANA 还能够检测到丘脑之中的神经元传递顺序。
DIANA 的优势在于：一是可以无创性地研究多个脑区域神经网络快速变化的情况。此外，DIANA 还可以通过调节外界刺激的时间长度来测量内部神经元活动。
然而，DIANA 在现阶段仍有一定的局限性。在实验过程中，为实现 DIANA 毫秒级时间分辨率，科学家们以线扫描（line-scan）的方式采集数据。该种方式获取的数据仅包含由重复刺激产生的数据，因此无法研究静息态或单一刺激下的大脑神经功能。
图 | DIANA 反应及其对比机制（来源：Science）
此外，即使每次外界刺激都会导致轻微的神经脉冲变化，DIANA 依然假设大脑中与外界刺激相关的所有反应都是一致的，而不存在实验可变性。这在一定程度上削弱了 DIANA 实验结果的可靠性。因此，还需探究与 DIANA 相关的对比实验机制。
总之，研究者期望未来 DIANA 能够为科学家更准确、更深入地理解大脑功能组织做出贡献，并能够通过高时空分辨率融合优势阐明神经网络时间动态与其功能之间的因果关系，从而开辟出一条神经影像学研究新途径。同时，研究人员还希望能将 DIANA 转化为人体临床监测系统，真正造福于人类脑神经科学。
参考文献：
1.Phan Tan Toi，Hyun Jae Jang，Kyeongseon Min.et, al. Science. In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4340
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