麻省理工學(xué)院的新核磁共振探測(cè)器可以揭示大腦的更多內(nèi)部運(yùn)作過(guò)程
麻省理工學(xué)院的生物工程師使用一種用于功能性磁共振成像 (fMRI) 的新型探針（淺藍(lán)色），設(shè)計(jì)了一種方法來(lái)監(jiān)測(cè)單個(gè)神經(jīng)元群體并揭示它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?。圖片：由研究人員提供
追蹤神經(jīng)元群體之間的聯(lián)系可以幫助研究人員繪制作為行為和感知基礎(chǔ)的大腦回路。
麻省理工學(xué)院的生物工程師使用一種用于功能性磁共振成像 (fMRI) 的新型探針，設(shè)計(jì)了一種監(jiān)測(cè)單個(gè)神經(jīng)元群體并揭示它們?nèi)绾蜗嗷プ饔玫姆椒ā?/p>
類似于時(shí)鐘的齒輪如何以特定方式相互作用以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鐘的指針，大腦的不同部分相互作用以執(zhí)行各種任務(wù)，例如產(chǎn)生行為或解釋我們周圍的世界。新的 MRI 探針可能允許科學(xué)家繪制這些相互作用網(wǎng)絡(luò)。
“通過(guò)常規(guī)功能磁共振成像，我們可以同時(shí)看到所有齒輪的動(dòng)作。但是通過(guò)我們的新技術(shù)，我們可以拾取由它們與其他齒輪的關(guān)系定義的單個(gè)齒輪，這對(duì)于構(gòu)建大腦機(jī)制的圖像至關(guān)重要，”麻省理工學(xué)院生物工程教授 Alan Jasanoff 說(shuō)，腦和認(rèn)知科學(xué)，以及核科學(xué)和工程。
使用這種技術(shù)，該技術(shù)涉及將 MRI 探針基因定位到動(dòng)物模型中的特定細(xì)胞群，研究人員能夠識(shí)別參與響應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)刺激的電路的神經(jīng)群。研究人員說(shuō)，新的 MRI 探針還可以研究許多其他大腦回路。
Jasanoff 是該研究的高級(jí)作者，該研究于 2022 年 3 月 3 日發(fā)表在Nature Neuroscience上。該論文的主要作者是麻省理工學(xué)院最近的博士獲得者 Souparno Ghosh 和前麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家 Nan Li。
跟蹤連接
傳統(tǒng)的 fMRI 成像測(cè)量大腦中血流的變化，作為神經(jīng)活動(dòng)的代表。當(dāng)神經(jīng)元接收到來(lái)自其他神經(jīng)元的信號(hào)時(shí)，它會(huì)觸發(fā)鈣的流入，從而釋放出一種叫做一氧化氮的可擴(kuò)散氣體。一氧化氮部分地充當(dāng)血管擴(kuò)張劑，增加流向該區(qū)域的血流量。
直接對(duì)鈣進(jìn)行成像可以提供更精確的大腦活動(dòng)圖像，但這種類型的成像通常需要熒光化學(xué)物質(zhì)和侵入性程序。麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)希望開發(fā)一種可以在沒(méi)有這種侵入性的情況下在大腦中起作用的方法。
“如果我們想弄清楚全腦細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)和全腦機(jī)制如何運(yùn)作，我們需要可以在組織深處檢測(cè)到的東西，最好是同時(shí)在整個(gè)大腦中檢測(cè)到，”Jasanoff 說(shuō)?！拔覀?cè)谶@項(xiàng)研究中選擇這樣做的方式是從本質(zhì)上劫持 fMRI 本身的分子基礎(chǔ)?！?/p>
研究人員創(chuàng)建了一種由病毒傳遞的基因探針，該探針編碼一種蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)在神經(jīng)元活躍時(shí)發(fā)出信號(hào)。這種蛋白質(zhì)被研究人員稱為 NOSTIC（用于靶向圖像對(duì)比度的一氧化氮合酶），是一種被稱為一氧化氮合酶的酶的工程形式。NOSTIC 蛋白可以檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)期間出現(xiàn)的鈣水平升高；然后它會(huì)產(chǎn)生一氧化氮，從而產(chǎn)生人工 fMRI 信號(hào)，該信號(hào)僅來(lái)自含有 NOSTIC 的細(xì)胞。
探針由注入特定部位的病毒傳遞，然后沿著連接到該部位的神經(jīng)元軸突傳播。通過(guò)這種方式，研究人員可以標(biāo)記每個(gè)進(jìn)入特定位置的神經(jīng)群體。
“當(dāng)我們使用這種病毒以這種方式傳遞我們的探針時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致探針在為我們放置病毒的位置提供輸入的細(xì)胞中表達(dá)，”Jasanoff 說(shuō)。“然后，通過(guò)對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行功能成像，我們可以開始測(cè)量是什么使該區(qū)域的輸入發(fā)生，或者什么類型的輸入到達(dá)該區(qū)域。”
轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪
在這項(xiàng)新研究中，研究人員使用他們的探針來(lái)標(biāo)記投射到紋狀體的神經(jīng)元群，紋狀體是參與規(guī)劃運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)的區(qū)域。在大鼠中，他們能夠確定哪些神經(jīng)群體在獎(jiǎng)勵(lì)刺激期間或之后立即向紋狀體發(fā)送輸入 - 在這種情況下，下丘腦外側(cè)的深部腦刺激，這是一個(gè)與食欲和動(dòng)機(jī)有關(guān)的大腦中心，以及其他功能.
研究人員對(duì)下丘腦外側(cè)深部腦刺激的一個(gè)問(wèn)題是影響的范圍有多廣。在這項(xiàng)研究中，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)表明，位于包括運(yùn)動(dòng)皮層和內(nèi)嗅皮層在內(nèi)的與記憶有關(guān)的區(qū)域中的幾個(gè)神經(jīng)群體在深部腦刺激后將輸入發(fā)送到紋狀體。
59XC-PC無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)偏光顯微鏡
“這不僅僅是來(lái)自深部腦刺激部位或攜帶多巴胺的細(xì)胞的輸入。還有這些其他成分，無(wú)論是遠(yuǎn)端還是局部，都會(huì)影響反應(yīng)，由于使用了這種探頭，我們可以將手指放在它們身上，”Jasanoff 說(shuō)。
在這些實(shí)驗(yàn)中，神經(jīng)元也會(huì)產(chǎn)生規(guī)則的 fMRI 信號(hào)，因此為了區(qū)分來(lái)自基因改變神經(jīng)元的特定信號(hào)，研究人員將每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次：一次是在探針開啟的情況下，一次是在使用抑制藥物的藥物治療后。探頭。通過(guò)測(cè)量這兩種情況下 fMRI 活動(dòng)的差異，他們可以確定在含有探針的細(xì)胞中具體存在多少活動(dòng)。
研究人員現(xiàn)在希望使用這種他們稱之為血液遺傳學(xué)的方法來(lái)研究大腦中的其他網(wǎng)絡(luò)，首先是努力識(shí)別在深部腦刺激后從紋狀體接收輸入的一些區(qū)域。
“我們正在介紹的方法令人興奮的一點(diǎn)是，您可以想象在大腦的許多部位應(yīng)用相同的工具，并拼湊出一個(gè)由這些輸入和輸出關(guān)系組成的互鎖齒輪網(wǎng)絡(luò)，”Jasanoff說(shuō)。“這可以讓人們更廣泛地了解大腦如何在神經(jīng)群體的水平上作為一個(gè)整體工作?！?/p>
參考：
Souparno Ghosh, Nan Li, Miriam Schwalm, Benjamin B. Bartelle, Tianshu Xie, Jade I. Daher, Urvashi D. Singh, Katherine Xie, Nicholas DiNapoli, Nicholas B. Evans、Kwanghun Chung 和 Alan Jasanoff，2022 年 3 月 3 日，Nature Neuroscience。
DOI: 10.1038/s41593-022-01014-8
該研究由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和麻省理工學(xué)院西蒙斯社會(huì)大腦中心資助。