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                  浙大科學家研發出活體繪製腦功能連接組的新方法

                  研究大腦信息傳遞有了清晰的“導航圖”

                  發佈時間:2019-05-10來源:科技金融時報作者:林潔 柯溢能0

                      大腦由一座座不同功能的“城市”和“大廈”組成,無數的神經連接就像“信息公路”將它們連接成網絡。理解大腦就需要掌握“大腦交通圖” ,這就好像人們出行時必須有地圖導航一樣。然而,目前腦科學家們探索大腦奧祕,卻沒有完整的“大腦交通圖”可以參考。

                    近日,浙江大學求是高等研究院系統神經與認知科學研究所王菁教授團隊在《科學·進展》(Science Advances)雜誌上發表了一項腦網絡研究方法的最新突破 。他們藉助7T功能磁共振系統的巨大成像優勢,並結合紅外光神經刺激,開發出紅外光神經刺激功能磁共振整合技術 ,並首次在活體腦中獲得亞毫米級的腦連接組,使我們能更快速、更系統、更清晰地看清“大腦交通圖” ,瞭解信息的傳遞。“就好比我們不僅能知道一個快遞從杭州市浙江大學某實驗樓出發到了北京市,還能知道它到的是哪個轄區,哪條街道 ,甚至哪幢樓的哪一樓層 。”文章的第一作者徐國華介紹說 。

                    以往用於繪製腦連接的解剖學方法,通常是在大腦的幾個起始位置注射染料 ,需要幾周的時間讓染料運輸並給神經連接“上色”,然後犧牲動物製作腦片 ,最後進行非常耗時的圖像重建和分析 。即便這樣 ,在一個動物中最多也只能研究幾個注射位點。

                    此次王菁團隊發明的新技術結合了激光刺激和磁共振功能成像 ,快速地以三維形式呈現 ,在1~2小時的掃描中即可獲得腦功能連接的初步結果,極大地方便了研究全腦尺度各腦區的響應程度 ,可以在單天實驗中快速進行連接組的研究 。徐國華介紹說:“與其慢慢地給公路上色,不如從杭州寄出一堆快遞,在很快的時間內我們就可以知道它們都到了哪些城市。”

                    紅外光脈衝被0.2毫米直徑的光纖照射到目標腦區,引起該腦區及相連腦區的神經響應,也會引起相應的血氧變化。這種血氧信號能夠被磁共振功能成像捕獲。“連接強度可以經由血氧水平,量化爲響應的幅度和相關性 。”徐國華介紹 。

                    早年 ,王菁受到人工耳蝸研究中啓用激光代替電流激活神經元的啓發,開始了這方面研究,成爲最早將紅外光刺激引入到大腦研究中的科學家 。這一轉變的意義在於紅外光脈衝將能量傳遞到極小的空間 ,從而實現精準刺激 ,並引起連接點響應的空間特異性 。

                    更高表現爲高空間分辨率。當使用超高場(7特斯拉)磁共振成像時,這些響應位置可以在亞毫米級分辨率上呈現 。這就爲研究各個皮層功能柱(“大廈”)以及皮層各個分層(“樓層”)的神經活動提供了基礎 。“我們將紅外光這一刺激方法與功能磁共振相結合 ,並在世界上首次提出了這一實驗方法。”王菁說。

                    但目前科研人員只知道功能柱是發揮功能的單元,卻不清楚它們之間具體如何連接  。徐國華解釋說:“就像一幢幢高樓 ,有不同的功能,有的是學校,有的是醫院等 ,但我們還不明白這些大樓之間有怎樣的關聯 。”

                    “該方法可以被用於系統性地逐個刺激皮層功能柱 ,從而全面地描繪靈長類亞毫米水平連接組 。”王菁介紹說,這項新技術將爲繪製高分辨率功能柱的全腦網絡圖奠定基礎 ,爲大規模全腦功能連接研究開啓大門 。通過釐清各個功能柱之間的連接 ,將極大地幫助我們理解靈長類大腦的工作原理以及腦疾病,將促進神經科學、心理學、醫學和人工智能等領域的發展 。


                  《科技金融時報》2019年5月10日02版