新核磁共振技术缩小了追踪大脑活动的时间尺度

研究人员说，这种被称为“DIANA”的方法可以改变神经科学家对大脑如何工作的理解，尽管目前它只在麻醉的鼠身上进行了测试。

根据昨天(10月13日)发表在《Science》杂志上的一项研究，一种磁共振成像的新方法可以让神经科学家在毫秒的时间尺度上无创地跟踪大脑信号的传播。

该技术被其发明者称为“神经元活动的直接成像”(DIANA)，它利用现有的磁共振成像(MRI)技术拍摄一系列快速发射的局部图像，然后将这些图像结合起来，生成一幅高分辨率的图像，显示大脑的哪些部分在什么时候活跃。

荷兰神经科学研究所(Netherlands Institute for Neuroscience)的神经科学家Matthew Self指出，到目前为止，DIANA只在麻醉的小鼠身上进行了测试，其潜在机制还不完全清楚。他没有参与这项研究。但他说，如果它可以在其他实验室复制，这种方法可能代表着大脑成像的“重大进步”。

Self解释说:“这将是第一种能够在高空间和时间分辨率下无创测量神经活动的技术。我非常想尝试一下。

核磁共振成像技术利用磁场和无线电波来产生组织的详细图像。它的使用依赖于这样一个事实:不同的材料具有不同的磁性，使扫描仪能够区分不同的组织或监测组织随时间的变化。

研究人员长期以来一直使用这种技术的一个版本，即血氧水平依赖性功能磁共振成像(BOLD fMRI)，来研究人类大脑的工作原理。这种方法检测大脑特定区域的血流变化，作为神经元活动的代理。

BOLD功能磁共振成像可以将活动精确到一毫米或更小的脑组织。但该技术的时间分辨率就不那么令人印象深刻了。血流的变化在几秒钟内就会发生，比神经元信号的毫秒时间尺度要慢得多。功能磁共振成像的图像通常会显示整个神经通路同时活跃，实际上，有一个神经信号从通路的一部分传播到另一部分。

其他直接测量脑电活动的非侵入性技术，如脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)，在精确定位神经元放电的时间方面要好得多，但在空间分辨率方面则差得多。

在这项新研究中，韩国成均馆大学的生物医学工程师Jang-Yeon Park和他的同事们提出了一种解决这一问题的新方法。他和他的同事们不像传统的功能磁共振成像那样，每隔几秒就对大脑的某个特定截面进行完整的成像，而是将他们的磁共振成像设备设置成以极短的间隔(仅相隔几毫秒)收集更小的部分图像序列。然后，他们就能把这些部分图像拼接在一起，得到每个时间点大脑横截面的完整视图。

为了看看他们是否能通过这种方法识别出任何大脑活动的信号，研究人员将麻醉的小鼠放入核磁共振扫描仪中，然后用电流轻轻刺激动物的胡须垫。他们发现，在电击后25毫秒左右的时间里，他们的技术产生的图像在体感皮层(小鼠大脑中感知胡须刺激的部分)中记录了某种信号。

进一步研究，他们发现“DIANA信号”实际上会随着时间的推移而移动。在晶须击打大约10毫秒后，它出现在一个叫做丘脑的大脑区域，在25毫秒秒左右移动到体感皮层的一部分，几毫秒后在体感皮层的另一部分出现。

通过使用电生理学和光遗传学等侵入性技术对同一大脑区域进行测量，该团队表明，他们的DIANA信号实际上是在追踪对须刺激做出反应的神经元活动的传播。

美国国家心理健康研究所(NIMH)的神经科学家和物理学家Peter Bandettini没有参与这项研究，他称该团队的工作“非常有说服力”。他补充说，以前有几个团队试图提高MRI的时间分辨率，但很少有人做了这么大的努力来支持他们的主张。这篇论文包括一个“实验的杰作”，以证明该技术确实在跟踪神经元信号的传播。

更大的谜团是DIANA到底探测到了什么。Park和他的同事在他们的研究中表明，BOLD效应不太可能是原因所在，相反，他们认为他们的方法是通过记录放电神经元的膜电位的变化，可能是通过膜表面水分的波动或通过细胞膨胀。Self说，这是一种可能，但总的来说，“机制还不是很清楚. . . .我认为这需要在未来的研究中得到证实。”

Park指出，DIANA目前的形式有一些局限性。Park是该方法的一项专利的共同发明人。由于该技术通过将不同时间拍摄的部分图像拼接在一起的方式，很可能会受到所谓的运动人工制品的影响，即动物在拍摄之间移动头部造成的干扰。这可能会给将DIANA翻译给清醒的动物或人带来一些挑战。

Bandettini指出，DIANA接收到的信号也相对较弱，大约比BOLD fMRI小一个数量级。他说，研究小组需要相对复杂的核磁共振设备来模仿该团队的方法，同时还需要一个包括重复任务或刺激的实验协议，以实现多次扫描的平均结果。“你需要对同一件事进行多次重复，以及非常非常精确的分辨率。”

Bandettini指出了该团队的另一项实验，该实验表明DIANA可能能够区分兴奋性和抑制性神经元信号——这即使是电生理学等侵入性技术也具有挑战性。“这是超级兴奋。这将为理解大脑如何相互作用开辟一个全新的领域。”

研究视觉处理的Self说，他知道有几个小组已经在尝试将DIANA应用于人类。他说，尽管这项技术仍然不能提供一些侵入性技术所能达到的单细胞分辨率，但如果它在其他实验室也能发挥作用，将会产生广泛的影响。“原则上，它可以应用到人类身上，甚至可以应用到病人研究中——它可以打开一个了解大脑健康和疾病的整个研究世界。”