《科学》革命性突破！直接看清大脑神经活动，这项研究将 ...

你若安好我即晴天

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。
参考资料：
[1] Phan Tan Toi, Hyun Jae Jang, et al., In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution. Science (2022). DOI: 10.1126/science.abh4340
[2] Timo van Kerkoerle and Martijn A. Cloos, Creating a window into the mind. Science (2022). DOI: 10.1126/science.ade4938
[3] Faster MRI scan captures brain activity in mice. Retrieved October 13, 2022 from https://www.nature.com/articles/d41586-022-03276-5
[4] Faster brain imaging technique seems to overcome limitations of current MRI scans. Retrieved October 13, 2022 from https://www.statnews.com/2022/10/13/faster-brain-imaging-seems-to-overcome-limitations-of-mri-scans/
[5] Introducing DIANA - a noninvasive approach for in vivo direct imaging of neuronal activity. Retrieved October 13, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/967310▎药明康德内容团队编辑
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好表哥

科学技术才是人类的未来。但是科学技术研究往往是枯燥无味的哪里比得上八卦那么使人津津乐道呢!

潇潇慕雨

通过血流量变化，含氧量变化推测神经运行方式[调皮]

闵光吁

要是新方法肯定诺奖了，即使不是新方法，如果后续人脑实验得到验证感觉也有机会拿诺奖，哎，羡慕

龙游九州

ultrasound不是已经比fMRI分辨率高了吗？更有前途，只是需要开颅，只能用在猴子头上[发呆]

谁把我网名改了

实际上是利用氧分子的顺磁性导致的Overhauser效应

郑开赢

噢，谢谢！没细看。实际上也不深入地懂[捂嘴]