麻省理工学院的新核磁共振探测器可揭露更多大脑运作过程

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麻省理工学院的生物工程师使用一种用于功能性磁共振成像 (fMRI) 的新型探针（浅蓝色），设计了一种方法来监测单个神经元群体并揭示它们如何相互作用。图片：由研究人员提供

追踪神经元群体之间的联系可以帮助研究人员绘制作为行为和感知基础的大脑回路。

麻省理工学院的生物工程师使用一种用于功能性磁共振成像 (fMRI) 的新型探针，设计了一种监测单个神经元群体并揭示它们如何相互作用的方法。

类似于时钟的齿轮如何以特定方式相互作用以转动时钟的指针，大脑的不同部分相互作用以执行各种任务，例如产生行为或解释我们周围的世界。新的 MRI 探针可能允许科学家绘制这些相互作用网络。

“通过常规功能磁共振成像，我们可以同时看到所有齿轮的动作。但是通过我们的新技术，我们可以拾取由它们与其他齿轮的关系定义的单个齿轮，这对于构建大脑机制的图像至关重要，”麻省理工学院生物工程教授 Alan Jasanoff 说，脑和认知科学，以及核科学和工程。

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使用这种技术，该技术涉及将 MRI 探针基因定位到动物模型中的特定细胞群，研究人员能够识别参与响应奖励刺激的电路的神经群。研究人员说，新的 MRI 探针还可以研究许多其他大脑回路。

Jasanoff 是该研究的高级作者，该研究于 2022 年 3 月 3 日发表在Nature Neuroscience上。该论文的主要作者是麻省理工学院最近的博士获得者 Souparno Ghosh 和前麻省理工学院研究科学家 Nan Li。

跟踪连接

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传统的 fMRI 成像测量大脑中血流的变化，作为神经活动的代表。当神经元接收到来自其他神经元的信号时，它会触发钙的流入，从而释放出一种叫做一氧化氮的可扩散气体。一氧化氮部分地充当血管扩张剂，增加流向该区域的血流量。

直接对钙进行成像可以提供更精确的大脑活动图像，但这种类型的成像通常需要荧光化学物质和侵入性程序。麻省理工学院的团队希望开发一种可以在没有这种侵入性的情况下在大脑中起作用的方法。

“如果我们想弄清楚全脑细胞网络和全脑机制如何运作，我们需要可以在组织深处检测到的东西，最好是同时在整个大脑中检测到，”Jasanoff 说。“我们在这项研究中选择这样做的方式是从本质上劫持 fMRI 本身的分子基础。”

研究人员创建了一种由病毒传递的基因探针，该探针编码一种蛋白质，该蛋白质在神经元活跃时发出信号。这种蛋白质被研究人员称为 NOSTIC（用于靶向图像对比度的一氧化氮合酶），是一种被称为一氧化氮合酶的酶的工程形式。NOSTIC 蛋白可以检测神经活动期间出现的钙水平升高；然后它会产生一氧化氮，从而产生人工 fMRI 信号，该信号仅来自含有 NOSTIC 的细胞。

探针由注入特定部位的病毒传递，然后沿着连接到该部位的神经元轴突传播。通过这种方式，研究人员可以标记每个进入特定位置的神经群体。

“当我们使用这种病毒以这种方式传递我们的探针时，它会导致探针在为我们放置病毒的位置提供输入的细胞中表达，”Jasanoff 说。“然后，通过对这些细胞进行功能成像，我们可以开始测量是什么使该区域的输入发生，或者什么类型的输入到达该区域。”

转动齿轮

在这项新研究中，研究人员使用他们的探针来标记投射到纹状体的神经元群，纹状体是参与规划运动和响应奖励的区域。在大鼠中，他们能够确定哪些神经群体在奖励刺激期间或之后立即向纹状体发送输入 - 在这种情况下，下丘脑外侧的深部脑刺激，这是一个与食欲和动机有关的大脑中心，以及其他功能.

研究人员对下丘脑外侧深部脑刺激的一个问题是影响的范围有多广。在这项研究中，麻省理工学院的团队表明，位于包括运动皮层和内嗅皮层在内的与记忆有关的区域中的几个神经群体在深部脑刺激后将输入发送到纹状体。

“这不仅仅是来自深部脑刺激部位或携带多巴胺的细胞的输入。还有这些其他成分，无论是远端还是局部，都会影响反应，由于使用了这种探头，我们可以将手指放在它们身上，”Jasanoff 说。

在这些实验中，神经元也会产生规则的 fMRI 信号，因此为了区分来自基因改变神经元的特定信号，研究人员将每个实验进行两次：一次是在探针开启的情况下，一次是在使用抑制药物的药物治疗后。探头。通过测量这两种情况下 fMRI 活动的差异，他们可以确定在含有探针的细胞中具体存在多少活动。

研究人员现在希望使用这种他们称之为血液遗传学的方法来研究大脑中的其他网络，首先是努力识别在深部脑刺激后从纹状体接收输入的一些区域。

“我们正在介绍的方法令人兴奋的一点是，您可以想象在大脑的许多部位应用相同的工具，并拼凑出一个由这些输入和输出关系组成的互锁齿轮网络，”Jasanoff说。“这可以让人们更广泛地了解大脑如何在神经群体的水平上作为一个整体工作。”

参考：

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

该研究由美国国立卫生研究院和麻省理工学院西蒙斯社会大脑中心资助。

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