大腦由一座座不同功能的“城市”和“大廈”組成，無數(shù)的神經(jīng)連接就像“信息公路”將它們連接成網(wǎng)絡(luò)?；诖竽X網(wǎng)絡(luò)，信息從感覺器官輸入，在腦內(nèi)傳遞和處理，最終產(chǎn)生記憶、情緒和行為。因此理解大腦就需要掌握“大腦交通圖”，這就好像人們出行時(shí)必須有地圖導(dǎo)航一樣。然而，目前腦科學(xué)家們探索大腦奧秘，卻沒有完整的“大腦交通圖”可以參考。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月24日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)研究所王菁教授（Anna Wang Roe）團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）雜志上發(fā)表了一項(xiàng)腦網(wǎng)絡(luò)研究方法的最新突破。他們借助7T功能磁共振系統(tǒng)（fMRI）的巨大成像優(yōu)勢，并結(jié)合紅外光神經(jīng)刺激（Infrared Neural Stimulation），開發(fā)出紅外光神經(jīng)刺激功能磁共振整合技術(shù)（INS-fMRI），并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(tǒng)、更清晰地看清“大腦交通圖”，了解信息的傳遞?！熬秃帽龋覀儾粌H能知道一個(gè)快遞從杭州市浙江大學(xué)某實(shí)驗(yàn)樓出發(fā)到了北京市，還能知道它到的是哪個(gè)轄區(qū)，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。
這項(xiàng)研究的其他參與者還包括共同第一作者博士生錢美珍，通訊作者張孝通博士、陳崗博士和王菁博士。他們開發(fā)的INS-fMRI技術(shù)，可以在活體中研究腦網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)可以概括為更快、更強(qiáng)、更高。
●更快
以往用于繪制腦連接的解剖學(xué)方法，通常是在大腦的幾個(gè)起始位置注射染料，需要幾周的時(shí)間讓染料運(yùn)輸并給神經(jīng)連接“上色”，然后犧牲動(dòng)物制作腦片，最后進(jìn)行非常耗時(shí)的圖像重建和分析。即便這樣，在一個(gè)動(dòng)物中最多只能研究幾個(gè)注射位點(diǎn)。
此次王菁教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明的新技術(shù)結(jié)合了激光刺激和磁共振功能成像，快速地以三維形式呈現(xiàn)，在1-2小時(shí)的掃描中即可獲得腦功能連接的初步結(jié)果，極大地方便了研究全腦尺度各腦區(qū)的響應(yīng)程度，可以在單天實(shí)驗(yàn)中快速進(jìn)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(shí)間內(nèi)我們就可以知道它們都到了哪些城市?！?/span>
“另外，INS-fMRI技術(shù)的好處，不只是快速，還在于方便了活體研究，大大減少使用動(dòng)物的數(shù)量，并且可以對同一動(dòng)物進(jìn)行多次、持續(xù)的跟蹤研究，例如研究大腦發(fā)育?！蓖踺佳a(bǔ)充說。
●更強(qiáng)
更強(qiáng)表現(xiàn)為可量化與更精準(zhǔn)。
紅外光脈沖被0.2毫米直徑的光纖照射到目標(biāo)腦區(qū)，引起該腦區(qū)及相連腦區(qū)的神經(jīng)響應(yīng)，也會引起相應(yīng)的血氧變化。這種血氧信號能夠被磁共振功能成像捕獲?！斑B接強(qiáng)度可以經(jīng)由血氧水平，量化為響應(yīng)的幅度和相關(guān)性”，徐國華介紹。
早年，王菁受到人工耳蝸研究中啟用激光代替電流激活神經(jīng)元的啟發(fā)，開始了這方面研究，成為最早將紅外光刺激引入到大腦研究中的科學(xué)家。這一轉(zhuǎn)變的意義在于紅外光脈沖將能量傳遞到極小的空間，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)刺激，并引起連接點(diǎn)響應(yīng)的空間特異性。
●更高
更高表現(xiàn)為高空間分辨率。當(dāng)使用超高場（7特斯拉）磁共振成像時(shí)，這些響應(yīng)位置可以在亞毫米級分辨率上呈現(xiàn)。這就為研究各個(gè)皮層功能柱（“大廈”）以及皮層各個(gè)分層（“樓層”）的神經(jīng)活動(dòng)提供了基礎(chǔ)?！拔覀儗⒓t外光這一刺激方法與功能磁共振相結(jié)合，并在世界上首次提出了這一實(shí)驗(yàn)方法?！蓖踺颊f。
所謂功能柱，是大腦里面的一個(gè)個(gè)信息處理單元，大小則只有0.2-0.3毫米。靈長類動(dòng)物（包括人類）的大腦均由這些功能柱整齊排布而成；每個(gè)功能柱恰好又對應(yīng)特異的認(rèn)知功能，互相之間連接成網(wǎng)絡(luò)。因此，對于包括人類在內(nèi)的靈長類而言，繪制介于宏觀與微觀之間尺度的腦連接組尤為重要。
但目前科研人員只知道功能柱是發(fā)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(xué)校，有的是醫(yī)院等等，但我們還不明白這些大樓之間有怎樣的關(guān)聯(lián)?！?/span>
“該方法可以被用于系統(tǒng)性地逐個(gè)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?！蓖踺冀榻B說，這項(xiàng)新技術(shù)將為繪制高分辨率功能柱的全腦網(wǎng)絡(luò)圖奠定基礎(chǔ)，為大規(guī)模全腦功能連接研究開啟大門。通過厘清各個(gè)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(jìn)神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展。
在Science Advances文章中，課題組報(bào)道了兩個(gè)應(yīng)用范例，分別對應(yīng)研究全腦尺度的長程連接，以及局部范圍內(nèi)的高分辨率短程連接。實(shí)驗(yàn)證明了這一新方法的應(yīng)用將可能幫助我們深入理解大腦的連接方式和工作原理，繼而更好地理解疾病和精準(zhǔn)調(diào)控相關(guān)腦結(jié)構(gòu)和功能。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaau7046
（文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶）
