原文题目：In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution
通讯作者:JANG-YEON PARK
隶属单位：成均馆大学生物医学工程系
DOI：DOI: 10.1126/science.abh4340
长期以来，人们一直需要非侵入性神经成像方法，该方法可以在高时间和高空间分辨率下检测神经元活动。该研究团队提出了一种二维快速线扫描方法，能够以毫秒级的精度直接成像神经元活动，同时保持磁共振成像（MRI）的高空间分辨率。这种方法是通过在电须垫刺激期间在9.4特斯拉的体内小鼠脑成像来证明的。体内尖峰记录和光遗传学证实了观察到的MRI信号与神经活动的高度相关性。它还捕获了神经元活动沿丘脑皮质通路的顺序和层流特异性传播。这种对神经元活动的高分辨率直接成像将通过提供对大脑功能组织的更深入理解，包括神经网络的时空动力学，为脑科学开辟新的途径。
先进的无创神经成像方法提供了有关大脑功能组织的宝贵信息，但它们在时间和空间分辨率方面具有明显的优缺点。使用血氧水平依赖性（BOLD）效应的功能性磁共振成像（fMRI）可提供毫米级的空间分辨率。然而，其时间分辨率受到对神经元活动（如尖峰）的缓慢血流动力学反应的限制，而最近在成像亚秒级振荡神经元动力学方面取得了进展。由于BOLD信号和峰值活动之间没有直接对应关系，因此BOLD-fMRI提供了有关神经元活动的间接信息，本质上限制了空间和时间精度。相比之下，脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）在毫秒范围内提供了出色的时间分辨率，但空间信息仅限于厘米级。因此，在利用MRI的高空间分辨率的同时，将基于MRI的时间分辨率提高到EEG或MEG的毫秒级对于促进对体内大脑的理解至关重要。
图 1：具有高颞空间分辨率的神经元活动的直接成像。
已经进行了许多尝试，以使用MRI直接成像神经元活动。它们中的大多数都基于神经元电流模型，其中沿着轴突流动的神经元电流产生纳米级（nT）的超弱圆周磁场，从而局部改变磁共振（MR）信号的相位和大小。幻像研究表明，当通过凝胶幻像中的导线注入电流时，磁场变化引起的小相移（<1°）≤1 nT。使用无血红蛋白生物对象的体外研究也报告了由施加的刺激诱导的MR信号量级的变化（例如，0.01至5.5%）。一些研究认为，他们成功地直接检测了体内的人脑活化，但这些结果并没有在后来的尝试中复制。
还进行了其他尝试，使用细胞水平的生物物理变化或使用造影剂直接测量神经元活性。在弥散fMRI中，微结构变化（例如细胞肿胀）可能导致水扩散的变化，已被提议作为直接测量神经元活性的可能信号源。尽管初步结果受到质疑，但最近的工作表明，令人鼓舞的证据表明，扩散fMRI在血流动力学反应的基础上比传统的fMRI提供更快，更具体的神经元活动检测。另一种方法是开发造影剂，例如锰，其能够在体内测量啮齿动物的细胞内钙，但受到毒性和诱导的生理效应的限制，特别是在人类研究中。
研究人员提出了一种方法，可以对功能性MRI的神经元活动（以下简称DIANA）进行直接成像。使用DIANA，时间分辨率在毫秒内增加到神经元活动的时间精度，同时保留了MRI高空间分辨率的原始优势。总之，研究人员的结果表明，2D快速线扫描方法能够以高时间（5 ms）和空间（0.22 mm）分辨率直接映射体内的尖峰活动，这一点通过体内电生理学与光遗传学相结合得到证实。2D快速线扫描DIANA的这种高时间分辨率允许通过丘脑皮质和皮质丘脑通路中功能定义的神经网络检测神经元活动的顺序传播。2D快速线扫描DIANA还能够在丘脑下核和皮质层水平上揭示多个功能连接的大脑区域（如丘脑，S1BF和S2）的时间神经网络动力学。
图 2：高时空分分辨率 DIANA 可捕获丘脑皮质尖峰传播。
在2D快速线扫描DIANA中，毫秒时间分辨率是直接测量神经元活动的关键因素，因为它有助于在几毫秒内有效地捕获神经元活动的瞬态效应。DIANA 响应随着时间分辨率的降低而减小。这就解释了为什么在以前的高时间分辨率的fMRI研究中没有看到DIANA反应，包括基于线扫描的fMRI研究，其最高时间分辨率为40至50 ms。即使在单次单切片回波平面成像中，也无法显示DIANA响应，可实现的最短采集时间为20至30 ms。2D快速线阵扫描DIANA的另一个重要特点是能够有效抑制BOLD效应，其独特的数据采集方案使用快速、事件同步的线扫描，具有几毫秒的短TE和相对较短的刺激间隔。
DIANA 信号与尖峰的时间相关性高于与 LFP 的时间相关性，这表明 DIANA 可能正在检测由引起尖峰的电流而不是 LFP 引起的信号。通常，LFP电压是由细胞外空间中多个神经元上的流入和流出电流之和产生的，因此电压在μV范围内。相比之下，单个神经元的膜电位变化及其尖峰在mV范围内，即103比LFP大的倍数。DIANA信号可以捕获mV尺度上的膜电压变化，T细胞实验所示，其中5至145 mM的细胞外[K]变化对应于膜电位从−40到10 mV的变化。此外，使用2D快速线扫描，DIANA的去极化和超极化膜增强变化都可以检测为正信号和负信号变化。CSD分析显示，第一个电流汇的延迟与峰值正DIANA响应的延迟具有高度相关性。不可能将DIANA中的负信号变化与CSD分析结果相关联。然而，据报道，在S1BF中的体感信息处理过程中，快速峰值的GABA能中间神经元和生长抑素阳性中间神经元在S1BF中的躯体感觉信息处理过程中在两个不同的时间点飙升，类似于从负DIAN反应中观察到的两个不同的时间点（图。S22）。GABA能中间神经元活性与DIANA阴性反应之间的关系需要在未来进一步研究。然而，这些结果共同支持了研究人员的假设，即DIANA信号可能归因于跨膜电流变化所表现的mV尺度上神经元膜电位的变化。
图 3：光遗传学 DIANA 实验：DIANA 反应直接检测光遗传学刺激诱发的尖峰
DIANA使用2D快速线阵扫描在这个阶段有一些局限性。由于2D快速线扫描DIANA数据仅在线扫描采集方案中对重复刺激的事件相关响应中生成，因此研究静止状态或单个刺激下的大脑功能具有挑战性。此外，2D快速线扫描DIANA假设大脑中与事件相关的反应在所有反应中都是一致的，没有逐个试验的变异性，即使每次刺激时神经尖峰发生适度变化，这也会在某种程度上破坏DIANA的可靠性。还需要进一步研究以充分阐明从2D快速线扫描中获得的DIANA对比度的机制。换句话说，在体内用神经元进行进一步的验证是必要的，因为研究人员假设DIANA信号起源于T的变化。这是由于膜电位的变化，这得到了体外T细胞实验和模拟的支持。T中这些变化的两种可能机制2也就是说，质膜的水合水的变化和细胞水平上微观结构的变化，如细胞肿胀，需要进一步研究以评估它们各自的贡献。
有一些有趣的话题可以立即与DIANA一起探索。一个是测试其对人类fMRI的可行性，并将DIANA转化为临床人体系统。仅考虑动物和人类系统中神经元密度，磁场强度和典型体素大小的近似预测表明，DIANA也可能在人类研究中起作用。预计在人脑网络中将观察到更复杂的前馈和反馈反应，这可能使DIANA反应更具挑战性，甚至更有趣。然而，人类的运动伪影可能比麻醉小鼠更严重，导致k空间的一些不一致和磁化稳定状态的变化。
图 5：亚层特异性DIANA反应揭示了功能不同的亚层特异性微电路。
另一个需要研究的有趣主题是，除了这里介绍的躯体感觉网络（例如视觉或听觉网络）之外，神经网络在多个功能连接的远距离大脑区域中的快速动态。由于本研究中的所有实验都是用电晶须垫刺激进行的，这是一种无法应用于人类研究的实验范式，因此使用标准视觉或听觉刺激验证DIANA实验对于提供DIANA如何为人类研究做出贡献的现实
非常重要。戴安娜用闪光灯刺激进行的初步实验证明了视觉刺激戴安娜实验的可行性，在小鼠皮层中按上丘脑（SC），初级视觉皮层（V1）和次级视觉皮层的外侧部分（V2L）的顺序表现出DIANA反应的顺序。虽然研究人员在这里提供了仅检测快速相位神经元活动的DIANA数据，但通过调整足够长的刺激间间隔以测量感兴趣的神经元活动，DIANA也可用于测量各种时间尺度上的神经元活动的各种时间模式，例如在更长的时间内持续强直神经元活动。
总体而言，研究人员预计高分辨率的DIANA将为神经成像开辟新的途径，以更准确，更深入地了解大脑的功能组织。特别是通过DIANA实现的高时空分辨率的收敛，有助于阐明神经网络时空动力学与其功能之间的因果关系。
DOI: 10.1126/science.abh4340
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