同时性单细胞钙成像用于神经元群体活动和全脑BOLD fMRI

《Nature Methods》：Simultaneous single-cell calcium imaging of neuronal population activity and brain-wide BOLD fMRI

　　

基于血氧水平依赖（BOLD）信号的功能磁共振成像（fMRI）被广泛用于非侵入性研究大脑活动。然而，局部神经元群体活动与BOLD fMRI所测量的血管活动之间的关系仍不完全清楚。研究人员在此表明，在清醒小鼠中同时测量细胞钙（Ca²⁺）活动与全脑BOLD fMRI，可以揭示神经元与周围血管之间的空间特异性关系。研究人员引入了一种MRI兼容的单光子显微镜，能够在对遗传定义的神经元进行fMRI过程中以细胞分辨率进行记录。通过这种方法，研究人员发现靠近血管的神经元通常与局部BOLD信号呈负相关，而较远的神经元则表现出更可变的、通常为正相关的关系。研究人员进一步证明，局部神经元活动可以与分布广泛、连接的大脑区域中的BOLD反应相关联。总之，这些结果揭示了血管组织如何塑造fMRI信号，并建立了一个连接细胞水平与全脑功能测量的强大工具。

**论文解读：同时性单细胞钙成像与全脑BOLD fMRI揭示神经血管耦合的空间特异性**

**研究背景与问题**

功能磁共振成像（fMRI）基于血氧水平依赖（BOLD）信号，是研究大脑活动的重要非侵入性工具。然而，BOLD fMRI通过神经血管耦合间接测量神经元活动，其信号是局部神经活动的慢速、平均代理，难以解析局部神经回路动力学。相比之下，光学成像方法（如单/双光子钙成像）能以细胞分辨率记录遗传定义的神经元活动，但通常只能覆盖少数皮层区域，且需要侵入性手术。为弥合局部神经回路活动与全脑BOLD信号之间的鸿沟，研究人员尝试结合光学成像与fMRI，但先前的方法（如光纤光度法）缺乏单细胞分辨率，无法区分神经元与非神经元细胞及神经毡信号。因此，亟需一种能够同时以细胞分辨率记录神经元活动并进行全脑BOLD fMRI的技术，以直接研究神经血管耦合的时空关系。

**研究内容与意义**

本论文发表在《Nature Methods》上。研究人员开发了一种MRI兼容的单光子显微镜（MRScope），能在清醒小鼠中进行全脑BOLD fMRI的同时，以单细胞分辨率记录遗传定义的皮层2/3层神经元群体钙活动。通过这一方法，研究人员发现神经元与血管的距离决定了其与BOLD信号的相关方向：靠近血管的神经元通常与BOLD信号呈负相关，而远离的神经元则呈正相关。此外，局部神经元活动可预测全脑多个连接区域的BOLD反应。该研究为理解血管组织如何塑造fMRI信号提供了新见解，并建立了一个连接细胞水平与全脑功能测量的强大平台。

**关键技术方法**

研究人员采用以下关键方法：（1）设计MRI兼容的单光子显微镜，使用丙烯酸透镜和3D打印树脂体，避免MRI伪影，并通过延长光路（>6 cm）消除相机位移；（2）在清醒小鼠（Rasgrf2-2A-dCre与Ai148D杂交，表达GCaMP6f）的桶状皮层（SSp-bfd）上方植入3 mm直径玻璃窗，进行单细胞钙成像与BOLD fMRI同步采集；（3）使用CNMF-E算法提取单个神经元和神经毡的ΔF/F钙信号；（4）手动标注血管结构，计算神经元与血管的欧几里得距离；（5）采用支持向量机（SVM）递归特征消除（SVM-RFE）评估神经元对BOLD信号的预测贡献。

**研究结果**

**1. 同时性全脑BOLD fMRI与单细胞分辨率钙成像**
通过对清醒小鼠进行对侧胡须刺激（10 s，3 Hz），研究人员同时记录了BOLD fMRI和皮层钙活动。BOLD激活图显示刺激同侧和对侧多个脑区（包括丘脑、纹状体、次级躯体感觉区等）显著激活。在桶状皮层（SSp-bfd）中，BOLD信号变化约4.9%，神经毡钙信号变化约2.7%，群体神经元活动变化约1.7%，血管直径变化约3.8%。结果表明该方法可实现无伪影的同步记录。

**2. 神经元反应呈现与血管距离相关的双向模式**
利用SVM解码，研究人员发现局部神经元群体活动可预测BOLD信号（归一化均方根误差（NRMSE）低于随机基线）。进一步通过SVM-RFE对神经元按预测贡献排序，发现被赋予正权重的神经元（对刺激有强正反应）与血管距离分布无差异；而被赋予负权重的神经元（对刺激反应减弱）则显著更靠近血管（P=0.044）。这表明靠近血管的神经元与BOLD信号呈负相关，而远离的神经元呈正相关。

**3. 从局部群体测量到全脑连接组记录**
研究人员利用SVM从SSp-bfd的BOLD信号预测局部神经元群体活动，发现多个脑区（包括刺激同侧和对侧的皮层和皮层下区域）的BOLD信号均含有预测信息，且性能显著高于随机基线。这些区域与已知的胡须刺激相关脑区及解剖连接一致，表明全脑BOLD信号可反映局部神经活动。

**总结与讨论**

本研究开发的MRI兼容单光子显微镜实现了清醒小鼠中单细胞钙成像与全脑BOLD fMRI的同步记录。结果表明，靠近血管的神经元表现出与BOLD信号负相关的活动，可能源于与血管活性中间神经元（如VIP⁺或SOM⁺）的局部回路连接。此外，全脑多个区域的BOLD信号可预测局部群体活动，验证了神经血管耦合的跨脑区信息传递。该技术为未来研究遗传特异性神经元亚类与BOLD信号的关系、以及自然行为范式下的神经血管动力学提供了有力工具。研究结论：对神经元与血管相互作用的深入理解对于准确解释动物和人类BOLD fMRI数据至关重要，将钙成像的高时空分辨率与BOLD fMRI的全脑覆盖相结合，将为理解局部神经血管动力学机制和跨空间尺度的大脑功能原则提供更深入的见解。