SORDINO：清醒、行为状态下小鼠中静音、敏感、特异且抗伪影的功能性磁共振成像

《Nature Neuroscience》：SORDINO: silent, sensitive, specific and artifact-resistant fMRI in awake, behaving mice

　　

血氧水平依赖（BOLD）功能性磁共振成像（fMRI）推动了跨物种脑图谱研究。该广泛应用技术面临声学噪声、电磁干扰、运动伪影、磁场不均匀以及灵敏度和特异性不足等挑战。研究人员提出稳态斜坡检测感应衰减过采样（Steady-state On-the-Ramp Detection of INduction-decay with Oversampling，SORDINO），一种改进的基于零回波时间（ZTE）的fMRI技术，其保持超低斜率（slew rate）并仅在梯度方向改变期间采集数据。在9.4 T下，SORDINO在fMRI关键指标上优于常规基于梯度回波（GRE）的回波平面成像（EPI）和ZTE，同时具备静音、敏感、特异及抗运动和磁敏感伪影特性。研究人员展示了SORDINO与多模态实验的优越兼容性，并揭示不同于BOLD、基于T1的对比机制，该机制有望推广至基于ZTE的fMRI技术。研究人员进一步在清醒、行为小鼠中实现SORDINO全脑活动与功能连接映射，克服了当前动物fMRI研究中普遍存在的应激相关、运动相关和灵敏度相关障碍。

研究背景方面，基于梯度回波（gradient-recalled echo，GRE）的回波平面成像（echo-planar imaging，EPI）长期是fMRI金标准，可快速获取全脑有效横向弛豫时间（T₂^*）加权BOLD功能对比。然而该技术易受声学噪声、电磁干扰、运动与磁场不均匀影响，且因偏向静脉血管而灵敏度有限、空间特异性差。对啮齿类fMRI而言问题更突出：声学噪声常迫使使用麻醉，损害脑功能并削弱向人类fMRI的转化价值；清醒成像需大量习惯化以缓解应激与运动；大于7 T高场下磁敏感伪影被放大。零采集延迟MRI方法如ZTE与多带扫频傅里叶变换（multi-band sweep imaging with Fourier transformation，MB-SWIFT）虽可缓解部分问题，但ZTE类方法的灵敏度是否系统性优于GRE-EPI尚未在常用场强下证明，其功能信号机制也不完全清楚，且在清醒行为小鼠中的代表性应用不足。为此，研究人员开发SORDINO，相关论文发表于《Nature Neuroscience》。

主要关键技术方法方面，研究人员在9.4 T临床前MRI系统构建SORDINO序列，使总梯度幅度（G_TotalAmp）与梯度角变化（α）近似恒定、梯度方向连续旋转并在斜坡期连续采集中心向外k空间信号，配合射频（RF）扰相与过采样抗混叠。样本包括大鼠前爪刺激模型、清醒头固定小鼠队列、流水体模与离体动静脉血样本；多模态验证采用体外尖峰模拟器、假细胞、快扫循环伏安法（fast-scan cyclic voltammetry，FSCV）、纤维光度法与头戴钙显微镜；气体挑战采用高碳酸高氧与低氧方案；RF激发分头仅激发与全身激发两种设置。

研究结果方面，SORDINO序列部分显示，SORDINO平均斜率0.21 T m^?1 s^?1，比GRE-EPI低四个数量级、比ZTE低约75倍；消除梯度重置与稳定段后可用更低接收带宽提高时间信噪比（tSNR），效率高于传统ZTE。SORDINO对比建模部分显示，头仅RF激发时静止组织迅速达稳态而流入动脉血经历较少RF脉冲呈更高信号；局部脑血容量（CBV）增加产生类血管空间占据（vascular-space-occupancy，VASO）正信号，组织氧（tO₂）升高经氧的T₁弛豫率（R₁）缩短产生正对比，脑血流（CBF）交换也贡献信号；SORDINO信号随T₁变化近线性，且不同于BOLD。SORDINO效率与灵敏度增益部分显示，ZTE稳态期采集受斜坡、稳定与破坏（spoiling）时间限制，SORDINO连续斜坡采集可低带宽提tSNR或高带宽增辐射状辐条（spoke）数以提高空间分辨率。SORDINO采集参数与采样效率部分显示，2°至5°翻转角（flip angle，FA）配合短spoke重复时间（TR）效率最优，大鼠前爪刺激对比噪声比（CNR）验证模型。SORDINO对比GRE-EPI部分中，可忽略声学噪声显示SORDINO声压级谱接近扫描仪空闲态，清醒小鼠皮质醇与体重应激指标优于GRE-EPI；超低电磁干扰显示尖峰与FSCV记录几无伪影，钙成像质量在扫描开闭期无差异；最小化重影、畸变、磁敏感与运动伪影显示相对TurboRARE无结构畸变，杏仁核等易丢区保留，被动肢体运动相关伪相关远低于GRE-EPI，清醒小鼠帧位移更低；稳健灵敏度显示前爪S1区CNR可比甚至超GRE-EPI，静息态功能连接（FC）可靠性相当；特异对比起源显示流入与tO₂为关键机制，离体血样本证明SORDINO对脱氧血红蛋白信号更高而非BOLD，气体挑战中单 voxel 信号跟踪tO₂而非总血红蛋白。SORDINO用于清醒小鼠静息态fMRI部分显示，介质PCB头板线圈下种子分析得到S1与压后皮层（retrosplenial cortex，RSC）预期连接，独立成分分析（ICA）识别默认模式网络（DMN）、外侧皮层网络与显著性网络三网络，并转入Allen小鼠脑图谱空间与结构连接对应。SORDINO用于小鼠熟练运动动作映射部分显示，气动送食诱发抓取任务中对侧运动皮层先激活、RSC去激活，继而双侧感觉运动皮层、背外侧纹状体、丘脑与小脑激活，首次给出啮齿类精细运动全脑图。

讨论与结论部分，研究人员指出SORDINO通过近似恒定总梯度幅度与连续梯度方向改变实现超低斜率、静音与高采集效率，在9.4 T下相对GRE-EPI与ZTE具备更低声学噪声、更低电磁干扰、更少重影畸变与磁敏感运动伪影、可比或更高灵敏度，以及更高空间特异性。其对比来自流入增强、CBV、tO₂相关T₁机制与微血管CBF交换，而非传统HbR的T₂^* BOLD效应，因而更贴近神经元活动源并减轻引流静脉偏倚。研究人员认为SORDINO可显著降低清醒动物应激与习惯化负担，兼容电生理、电化学、钙成像与双鼠社会交互等多模态场景，为清醒行为小鼠全脑活动映射、功能连接组与精细运动环路研究提供新平台；所释放序列与数据库可作为零回波类fMRI方法的标准化资源。结论为：SORDINO是一种静音、敏感、特异且抗伪影的ZTE衍生fMRI方法，能够在高场下克服常规EPI限制，以非BOLD的T₁相关机制反映神经血管耦合，并在清醒、行为小鼠中实现稳健脑宽活动与功能连接映射，具有推动临床前神经影像向更生理、多模态与高空间特异性发展的意义。