上世纪 90 年代，功能性磁共振成像（fMRI）的诞生革新了人们对于大脑的认知。这项无创的工具已经成为神经科学研究的支柱，使得科学家能够深入探究大脑中的神经连接，帮助我们理解大脑的功能与病理机制。
不过，目前的 fMRI 也面临着自身的瓶颈。例如，这项技术无法为我们解答一个关键问题：不同脑区间的交流，是如何产生复杂的认知能力的？而造成这一瓶颈的关键因素，是 fMRI 检测的时间与空间分辨率的不足。
现在，一项发表于《科学》杂志的最新研究有望带来革命性的突破。来自韩国的研究团队在 fMRI 的基础上，将检测的时间分辨率提升至毫秒级别，从而实现对大脑内神经活动的直接成像。
更加令人惊讶的是，这项被命名神经活动直接成像（direct imaging of neuronal activity，简称 DIANA）的新技术没有用到任何全新的仪器设备，而是仅仅基于软件的提升就取得了重大突破。
韩国成均馆大学的 Jang-Yeon Park 教授是该研究的领导者之一。「神经科学的进展令我感到震惊，但与此同时，有一个问题困扰着我：基于目前 fMRI 技术的时间分辨率，我们真的能揭开大脑功能的秘密吗？」 Jang-Yeon Park 教授说道。
要找到提升 fMRI 性能的突破口，需要从它的工作原理说起。事实上，fMRI 并不是直接观测神经元的活动，而是依靠另一个指标来间接测定，这就是血氧水平依赖效应（Blood Oxygenation Level Dependent, BOLD）。简单来说，在神经活动活跃的脑区，局部的耗氧量增加、血流增多，这样的变化会引起局部磁场的变化，而磁共振成像这是通过这样的变化来反映神经活动。
前面说到，fMRI 的成像能力受到空间分辨率以及时间分辨率的限制。其中，造成空间分辨率不足的主要原因是，传统 fMRI 能检测的是大脑中较大的血管，这些血管影响到大面积的皮层，反过来这些皮层的活动都会反映在相同的血管中，导致空间分辨率不足。解决方案也很清晰：使用更强的磁场，聚焦于更小的血管。目前，超高场（ultra-high-field）fMRI 技术已经大幅提升了空间分辨率。
相比之下，对于时间分辨率的提升，科学界长期没有找到解决方案。前文介绍到，fMRI 会在氧气消耗突然增加的脑区，追踪血流的变化，而这个信号相比于神经活动，延迟可达 1 秒——不要小看这一秒，要知道神经信号传递在毫秒级别，整个认知、决策等活动也只需要 0.1 秒。因此，现有的分辨率根本无法真正捕捉神经活动。
而最新研究采用的改进思路简单而有效。现有的 fMRI 是每隔几秒钟「拍摄」一张特定脑区横截面的完整图像，而 Jang-Yeon Park 教授团队的策略是将拍摄间隔缩短至几毫秒——当然，这样做的代价是一次只能拍摄一片很小的区域，但只要将这些局部的图像拼接起来，就能得到高分辨率的大脑横截面完整图像。而做到这一点，只需要在已有的超高场 fMRI 的基础上修改一些软件配置。
这项研究在小鼠实验中验证了 DIANA 的可行性。研究团队将一只被麻醉的小鼠放在了 MRI 扫描仪中，其面部的胡须垫每隔 0.2 秒接受一次微弱电流刺激。而在两次电刺激之间，仪器每 5 毫秒就会对小鼠脑部的一个微小区域进行扫描，获取局部的图像，这一速度相当于现有技术的 8 倍。
而当软件将多次扫描的数据整合，这个过程就直接生成了小鼠脑部切片的图像。通过该手段获取的是躯体感觉皮层的信号，这里正是感受对胡须的刺激的脑区。由此产生的信号，也成为前所未有的毫秒级别分辨率 fMRI 图像。论文介绍道，相比于高延迟的现有技术，DIANA 实现了对神经活动的直接成像。同时，其空间分辨率为 0.22 毫米，与超高场 fMRI 技术相当。
同期的观点文章指出，DIANA 打破了目前 fMRI 在时间分辨率上的限制，拥有令人激动的应用潜力。
值得一提的是，目前研究团队还没有完全弄清楚，他们的 DIANA 为什么可以拥有如此优异的表现。一种猜想是，神经元膜电位的变化，反映在 MRI 信号的横向弛豫时间，也就是 MRI 信号消失的快慢。他们初步的推测是，由于膜电位导致横向弛豫时间延长，因此在神经活动期间，可以观察到信号强度的增加。
尽管 DIANA 信号背后的生物学机制尚存疑问，但其他一些科学家对此并不担心。加拿大韦仕敦大学的神经科学家与物理学家 Ravi Menon 教授说：「数据本身说明，不管机制是什么，MRI 数据的变化与大脑活动紧密相连。我认为在开始阶段，这才是最重要的——而细节可以稍后解决。」
而麻省总医院的讲师 Padmavathi Sundaram 博士则表示，她有些担心的是，外部流体有可能影响到信号，但作者已经尽全力证明这些信号是真实存在的，「这可能是我见过的第一个可信的体内神经元电流 MRI 图像。」
另一个有趣的地方在于，这项研究使用的技术不仅简单，甚至都称不上新鲜。早在 20 年前，就有研究采用了类似的方法，而 Jang-Yeon Park 教授的研究也受到了此前研究的启发。葡萄牙神经科学家 Noam Shemesh 博士认为，以往的研究者或许没有「胆大」到在如此短的时间内寻找信号，他们可能从未期待过在这里发现些什么。
「大多数人认为这里只有噪音，而 Jang-Yeon Park 等人试图从中寻找一些信号。显然，他们做到了。」 Shemesh 博士说。
最新《科学》论文的发表代表了学术界对 DIANA 的一种认可，但这项技术要想真正成立并得到应用，仍然需要所有神经科学家与 MRI 物理学家的大量工作。
首先要做的，自然是在不同实验室中重复出 Jang-Yeon Park 教授的结果，确认 DIANA 的可靠性。另一项挑战，则是最终将测量对象从小鼠换成人类。「我们不能麻醉人来获取图像，」 Sundaram 博士说。但 Shemesh 博士相信，这项挑战并非无法克服，毕竟之前人们还应对过对于受试者移动更敏感的 MRI 方法。
如果 DIANA 技术最终得到更多实验室的验证，它将在神经科学领域开辟一条全新的道路。只需让受试者进入仪器，就能以非侵入的方式直接读取神经活动——这项革命性的突破将为理解大脑的机制及疾病提供前所未有的工具。我们期待，这项进展将能够通过科学检验，并最终造福全人类。
转自：“丁香学术”微信公众号
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