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不同脑区间的交流,是如何产生复杂的认知能力的?

来源: | 2022-10-18 23:11:21 | 人气:

导读:上世纪90年代,功能性磁共振成像(fMRI)的诞生革新了人们对于大脑的认知。这项无创的工具已经成为神经科学研究的支柱,使得科学家能够深入探究大脑中的神经连接,帮助我们理解大脑的

上世纪90年代,功能性磁共振成像(fMRI)的诞生革新了人们对于大脑的认知。这项无创的工具已经成为神经科学研究的支柱,使得科学家能够深入探究大脑中的神经连接,帮助我们理解大脑的功能与病理机制。

不过,目前的fMRI也面临着自身的瓶颈。例如,这项技术无法为我们解答一个关键问题:不同脑区间的交流,是如何产生复杂的认知能力的?而造成这一瓶颈的关键因素,是fMRI检测的时间与空间分辨率的不足。

现在,一项发表于《科学》杂志的最新研究有望带来革命性的突破。来自韩国的研究团队在fMRI的基础上,将检测的时间分辨率提升至毫秒级别,从而实现对大脑内神经活动的直接成像。

更加令人惊讶的是,这项被命名神经活动直接成像(direct imaging of neuronal activity,简称DIANA)的新技术没有用到任何全新的仪器设备,而是仅仅基于软件的提升就取得了重大突破。

韩国成均馆大学的Jang-Yeon Park教授是该研究的领导者之一。“神经科学的进展令我感到震惊,但与此同时,有一个问题困扰着我:基于目前fMRI技术的时间分辨率,我们真的能揭开大脑功能的秘密吗?” Jang-Yeon Park教授说道。

要找到提升fMRI性能的突破口,需要从它的工作原理说起。事实上,fMRI并不是直接观测神经元的活动,而是依靠另一个指标来间接测定,这就是血氧水平依赖效应(Blood Oxygenation Level Dependent, BOLD)。简单来说,在神经活动活跃的脑区,局部的耗氧量增加、血流增多,这样的变化会引起局部磁场的变化,而磁共振成像这是通过这样的变化来反映神经活动。

前面说到,fMRI的成像能力受到空间分辨率以及时间分辨率的限制。其中,造成空间分辨率不足的主要原因是,传统fMRI能检测的是大脑中较大的血管,这些血管影响到大面积的皮层,反过来这些皮层的活动都会反映在相同的血管中,导致空间分辨率不足。解决方案也很清晰:使用更强的磁场,聚焦于更小的血管。目前,超高场(ultra-high-field)fMRI技术已经大幅提升了空间分辨率。

相比之下,对于时间分辨率的提升,科学界长期没有找到解决方案。前文介绍到,fMRI会在氧气消耗突然增加的脑区,追踪血流的变化,而这个信号相比于神经活动,延迟可达1秒——不要小看这一秒,要知道神经信号传递在毫秒级别,整个认知、决策等活动也只需要0.1秒。因此,现有的分辨率根本无法真正捕捉神经活动。

而最新研究采用的改进思路简单而有效。现有的fMRI是每隔几秒钟“拍摄”一张特定脑区横截面的完整图像,而Jang-Yeon Park教授团队的策略是将拍摄间隔缩短至几毫秒——当然,这样做的代价是一次只能拍摄一片很小的区域,但只要将这些局部的图像拼接起来,就能得到高分辨率的大脑横截面完整图像。而做到这一点,只需要在已有的超高场fMRI的基础上修改一些软件配置。

▲DIANA能够实现高时空分辨率的神经活动直接成像(图片来源:参考资料[1])

这项研究在小鼠实验中验证了DIANA的可行性。研究团队将一只被麻醉的小鼠放在了MRI扫描仪中,其面部的胡须垫每隔0.2秒接受一次微弱电流刺激。而在两次电刺激之间,仪器每5毫秒就会对小鼠脑部的一个微小区域进行扫描,获取局部的图像,这一速度相当于现有技术的8倍。

而当软件将多次扫描的数据整合,这个过程就直接生成了小鼠脑部切片的图像。通过该手段获取的是躯体感觉皮层的信号,这里正是感受对胡须的刺激的脑区。由此产生的信号,也成为前所未有的毫秒级别分辨率fMRI图像。论文介绍道,相比于高延迟的现有技术,DIANA实现了对神经活动的直接成像。同时,其空间分辨率为0.22毫米,与超高场fMRI技术相当。

同期的观点文章指出,DIANA打破了目前fMRI在时间分辨率上的限制,拥有令人激动的应用潜力。

▲对不同区域的连续检测实现了快速fMRI成像(图片来源:参考资料[1])

值得一提的是,目前研究团队还没有完全弄清楚,他们的DIANA为什么可以拥有如此优异的表现。一种猜想是,神经元膜电位的变化,反映在MRI信号的横向弛豫时间,也就是MRI信号消失的快慢。他们初步的推测是,由于膜电位导致横向弛豫时间延长,因此在神经活动期间,可以观察到信号强度的增加。

尽管DIANA信号背后的生物学机制尚存疑问,但其他一些科学家对此并不担心。加拿大韦仕敦大学的神经科学家与物理学家Ravi Menon教授说:“数据本身说明,不管机制是什么,MRI数据的变化与大脑活动紧密相连。我认为在开始阶段,这才是最重要的——而细节可以稍后解决。”

而麻省总医院的讲师Padmavathi Sundaram博士则表示,她有些担心的是,外部流体有可能影响到信号,但作者已经尽全力证明这些信号是真实存在的,“这可能是我见过的第一个可信的体内神经元电流MRI图像。”

另一个有趣的地方在于,这项研究使用的技术不仅简单,甚至都称不上新鲜。早在20年前,就有研究采用了类似的方法,而Jang-Yeon Park教授的研究也受到了此前研究的启发。葡萄牙神经科学家Noam Shemesh博士认为,以往的研究者或许没有“胆大”到在如此短的时间内寻找信号,他们可能从未期待过在这里发现些什么。

“大多数人认为这里只有噪音,而Jang-Yeon Park等人试图从中寻找一些信号。显然,他们做到了。” Shemesh博士说。

▲通过刺激小鼠胡须垫,研究实现了对小鼠的神经活动直接成像(图片来源:Jang-Yeon Park教授)

最新《科学》论文的发表代表了学术界对DIANA的一种认可,但这项技术要想真正成立并得到应用,仍然需要所有神经科学家与MRI物理学家的大量工作。

首先要做的,自然是在不同实验室中重复出Jang-Yeon Park教授的结果,确认DIANA的可靠性。另一项挑战,则是最终将测量对象从小鼠换成人类。“我们不能麻醉人来获取图像,” Sundaram博士说。但Shemesh博士相信,这项挑战并非无法克服,毕竟之前人们还应对过对于受试者移动更敏感的MRI方法。

如果DIANA技术最终得到更多实验室的验证,它将在神经科学领域开辟一条全新的道路。只需让受试者进入仪器,就能以非侵入的方式直接读取神经活动——这项革命性的突破将为理解大脑的机制及疾病提供前所未有的工具。我们期待,这项进展将能够通过科学检验,并最终造福全人类。


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