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《科学》:神经影像学革命!时间分辨率提升8倍,探索神经元活动的“神器”诞生!

来源:奇点糕 2022-10-20 13:11

研究人员开发了一种方法可将时间分辨率提升至毫秒级,同时保留高空间分辨率的无创神经元活动成像方法,对小鼠脑部神经元活动做到了脑区亚结构的高时空分辨率检测,为今后神经科学的研究提供了重要方法。

随着上世纪九十年代以来功能核磁共振成像(fMRI)技术的发展,它逐渐成为无创监测神经元活动的主要手段[1]。

 

fMRI的成像原理为血氧水平依赖(BOLD)效应,即神经元活动时耗氧量增加,导致局部血流量增加,是一种间接神经元活动成像方法。配合高场强的MRI设备,fMRI空间分辨率已经可以达到毫米级别。

 

然而,fMRI的时间分辨率受限于神经元活动所导致的血流动力学变化相对缓慢,检测到的信号较神经元活动滞后约1秒,但神经元之间信号的传递仅需要几毫秒[2]。因此,若能达到更高的时间分辨率(毫秒级),科学家们将能更精确地揭示神经元活动背后的动态过程。

 

近日,来自韩国成均馆大学的Jang-Yeon Park团队和高丽大学的Jeehyun Kwag团队携手,在《科学》杂志发表重磅研究[3],他们开发了一种达到毫秒级精度直接成像神经元活动,同时保留高场强MRI高空间分辨率的快速线性扫描方法(DIANA),为深入了解神经网络的时空动力学提供了新方法。

 

研究人员在9.4特斯拉(T,磁通量密度单位)的条件下,通过DIANA方法成功对小鼠神经元活动进行了成像,以5毫秒的时间分辨率(是标准fMRI技术的8倍)和0.22毫米的空间分辨率,记录了小鼠胡须垫受到电刺激后丘脑和初级躯体感觉皮层神经元的活动顺序,堪称研究神经通路的“神器”。

 

论文首页截图

 

为了达到毫秒级的高时间分辨率,研究人员采用了2D快速线性扫描——结合线性扫描采集策略和使用具有短回波时间(TE,2毫秒)和短重复时间(TR,5毫秒)的2D梯度回波成像序列的方法[4],对放置在9.4T场强内的小鼠左侧胡须垫给予5Hz的电刺激(强度:0.5mA;持续时间:0.5毫秒),从而对右侧初级体感皮层(S1BF)所在平面(层厚1毫米)进行成像。

 

DIANA方法示意图

 

胡须垫经电刺激后,与刺激前相比,右侧初级体感皮层中可观察到显著增强的信号,峰值信号出现在电刺激后25.00±1.58毫秒,实现了神经元活动的毫秒级时间分辨率成像。

 

神经元活动的毫秒级时间分辨率成像

 

为了确认该信号与神经元活动的相关性,研究人员在小鼠初级体感皮层中植入了探针,记录局部电位(LFP)和单个神经元动作电位活动,并对小鼠进行同样的电刺激。

 

结果显示,胡须垫电刺激诱发的峰值局部电位潜伏期为39.48±1.84毫秒,明显慢于DIANA中信号的潜伏期,但电极记录的峰值动作电位放电速率潜伏期(26.44±1.24毫秒)与DIANA中信号潜伏期相似。

 

此外,电极记录的动作电位的其他时间特征也均与DIANA中信号相似,且DIANA中信号幅度和速率都随着电刺激强度的增加而增加(信号潜伏期不变),这反映了DIANA中信号与神经元活动具有明显的相关性。

 

DIANA中信号与神经元活动具有明显的相关性

 

紧接着,研究人员探索了通过DIANA方法捕获动作电位在神经元间传播的能力。

 

在对胡须垫电刺激后,研究人员对丘脑和初级体感皮层的冠状位层面(层厚1mm)进行成像,常规BOLD-fMRI显示丘脑和对侧/同侧初级体感皮层的神经元均被激活。

 

然而,DIANA方法可显示脑区的激活顺序。在电刺激后,丘脑、对侧初级体感皮层和同侧初级体感皮层按顺序依次激活,信号潜伏期分别为11.50±0.76毫秒、24.00±1.00毫秒和28.50±3.08毫秒,即丘脑神经元先于对侧和同侧初级体感皮层10到15毫秒被激活。

 

DIANA方法显示在电刺激后丘脑、对侧初级体感皮层和同侧初级体感皮层按顺序依次激活

 

为了确定DIANA信号的时空传播是否与丘脑皮质通路中神经元动作电位的传播相匹配,研究人员通过探针对丘脑和初级体感皮层同时进行电活动的记录。

 

结果显示,在电刺激胡须垫后,神经通路的激活的确是按照丘脑(9.52±0.90毫秒)、对侧初级体感皮层(24.52±1.43毫秒)和同侧初级体感皮层(30.00±1.73毫秒)的顺序,与DIANA方法中观测到的信号相一致。

 

探针记录的神经通路激活顺序与DIANA方法中观测到的信号相一致

 

此外,研究人员还通过光遗传学的方法验证了DIANA捕获神经元活动的能力。

 

在对表达通道视紫红质2(ChR2)的初级体感皮层兴奋性神经元进行光刺激后(强度:50mW/m㎡;持续时间:20毫秒),在初级体感皮层中首先出现信号变化(潜伏期15.00±1.29毫秒),随后丘脑也出现信号变化(潜伏期25.00±2.98毫秒)。这与光刺激后探针记录的神经元动作电位相一致(初级体感皮层潜伏期9.06±1.59毫秒,丘脑21.86±2.76毫秒)。

 

DIANA捕获光刺激后皮质丘脑通路神经元活动传递

 

更为令人惊叹的是,得益于高时空分辨率,DIANA还可区分脑区亚结构的激活时空顺序。丘脑可被细分为后内侧部分(POm)、腹后内侧核腹侧部分(VPMv)和腹后内侧核背侧部分(VPMd),而初级体感皮层和S2(次级躯体感觉皮层)则可被分为L2/3、L4、L5和L6层。

 

在电刺激胡须垫后,丘脑中信号首先出现于VPMv,然后传递到POm和VPMd;在初级体感皮层中,信号则从L4和L5开始,然后传播到L6和L2/3;在次级躯

体感觉皮层中,L4和L6首先被激活,之后是L5和L2/3。这些结果与探针记录的神经元动作电位结果相一致。

 

DIANA可区分丘脑、初级体感皮层和次级躯体感觉皮层亚结构的激活顺序

 

那DIANA中信号的生理机制是啥呢?

 

可以确定的是,DIANA中信号并不源于BOLD效应。

 

为了证明这一点,研究人员在两种条件下进行了BOLD-fMRI实验:氧气与空气比例为1:4(氧气-空气条件)和仅空气条件。

与氧气-空气条件下相比,仅空气条件下丘脑和初级体感皮层的BOLD效应信号显著降低(丘脑:0.626±0.052%降至0.284±0.079%;对侧初级体感皮层:1.142±0.147%降至0.792±0.166%),与BOLD效应对氧气供应的依赖性一致。

 

相比之下,氧气-空气条件和仅空气条件下DIANA方法中信号的强度并无明显改变(丘脑:0.199±0.018至0.193±0.008%;对侧初级体感皮层:0.164±0.013%至0.165±0.009%)。

 

DIANA方法中信号不来源于BOLD效应

 

虽然研究人员并未完全搞清楚此信号背后的生理机制,但研究人员猜测信号可能与神经元活动期间膜电位的变化相关。

 

总的来说,研究人员开发了一种方法可将时间分辨率提升至毫秒级,同时保留高空间分辨率的无创神经元活动成像方法,对小鼠脑部神经元活动做到了脑区亚结构的高时空分辨率检测,为今后神经科学的研究提供了重要方法。

参考文献

1.Belliveau JW, Kennedy DN, Jr., McKinstry RC, Buchbinder BR, Weisskoff RM, Cohen MS, Vevea JM, Brady TJ, Rosen BR: Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science 1991, 254(5032):716-719.

2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-03276-5

3.Toi PT, Jang HJ, Min K, Kim S-P, Lee S-K, Lee J, Kwag J, Park J-Y: In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution. Science 2022, 378(6616):160-168.

4.Yu X, He Y, Wang M, Merkle H, Dodd SJ, Silva AC, Koretsky AP: Sensory and optogenetically driven single-vessel fMRI. Nat Methods 2016, 13(4):337-340.

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