fMRI及ofMRI技术

fMRI及ofMRI技术原理:

早在 1990 年,S.Ogawa等人利用 MRI 技术在活体麻醉大鼠上发现了 BOLD 效应。次年,第一批人脑的 fMRI 实验,打开了在体脑功能研究的新篇章。fMRI 技术凭借低辐射、高穿透、高分辨、高通量等优势,近年来被迅速应用于脑科学研究,发展成为生物影像学中最重要的研究手段之一。其应用领域由起初的大脑皮层功能的定位,到不同脑区的功能图谱的绘制;从对各种感觉、感知系统等基本脑功能机制的研究,到对学习、记忆、心理、认知等高级脑功能的探索。

fMRI 的基本原理是利用 MRI 技术检测神经活动引起的血液动力学变化来研究神经活动。用于研究血液代谢的 MRI 方法有 BOLD-fMRI、灌注成像、扩散张量成像和脑血容积成像等。通常所说的 fMRI 指的是在研究应用中占主导地位的BOLD-fMRI。其信号基础大致可以认为是,某个脑区的神经活动增加,则该脑区的能量消耗随之增加,但能量供应和代谢需求并非定量匹配,这种不匹配导致脱氧血红蛋白(顺磁性)的含量降低,从而提高局部脑区中质子的 T2*弛豫时间,最终导致 MRI 信号上升(正向 BOLD)。而当某个脑区神经活动降低时,将导致 MRI 信号下降(负向BOLD)。由此, BOLD-fMRI 就为神经科学工作者提供了一项无损、实时观察大脑在行使不同任务时与之相应的脑区及其神经活动的改变程度的技术。

目前, fMRI 技术已经被大量应用于神经科学、心理科学和认知科学的基础和临床研究中:如视觉、嗅觉、触觉等基本感觉及学习和记忆等高级认知功能等神经机制问题,和各类脑疾病包括老年痴呆症、帕金森和癫痫等神经系统疾病,以及孤独症、抑郁症和精神分裂症等心理精神疾病。 BOLD-fMRI 如此广泛地被应用,这使研究清楚 BOLD 的具体机制变得尤为重要和紧迫。

图1.A,嗅球气味激活图谱。B,不同气味或同一气味不同浓度激活模式重复性。

光激活磁共振脑功能成像技术:

fMRI 技术已经对神经生物学的发展做出了巨大的贡献,并仍具有强大潜力。新发展起来的光遗传学技术(Optogenetics),与 fMRI 结合的新方法——光激活磁共振脑功能成像(Optogenetic fMRI, ofMRI, opto-fMRI)的出现, 为 fMRI 技术更有效地推动神经生物学的发展,提供了契机。该技术能够通过选择性地控制大脑中特定类型的神经细胞的活动,实现对特定大脑网络中的某个或某些特定节点活动,获得相关神经网络的应答特性,从而解析相关网络的结构、功能、以及相关脑区在特定脑功能中的作用及其相互关系;同时,可以综合高时空精准的扰动与功能性血液动力学响应情况,用于分析神经活动、大脑能量代谢及其血氧水平依赖(Blood Oxygen Level Dependent, BOLD)信号之间的特征关系。

图2.大鼠皮层中被光控病毒感染的原位区域被光激活所诱发的全脑BOLD响应。
A. 病毒感染区域和光刺激区域模式图。B1. ChR2-EYFP在原位感染区域(运动皮层)的分布情况。B2. ChR2-EYFP在运动皮层投射区域丘脑的分布情况。C1. 不进行病毒感染的对照组在光刺激下没有产生正的BOLD信号。C2. 光激活运动皮层的投射神经元活动,在原位区域检测到可观的正BOLD信号(*,光刺激位点)。D. 运动皮层的神经活动能诱导丘脑的BOLD信号。其中C和D中的各片层分别在A中标出。修改自Nature 465, 788-792 (May, 2010)| doi:10.1038/nature09108

但实际上, BOLD 信号来源与脑血流、脑血容、脑氧消耗代谢率、血管密度与尺寸、磁场强度等一系列的变化均有关系。而另一方面,神经活动与脑血流、脑血容和血氧饱和度间的关系也相当复杂,使得神经活动与 BOLD 信号的关系更为复杂。神经活动导致的局部血液动力学改变很可能是多种因素的综合结果。总之,神经活动与 BOLD 的关联性勿容质疑,但二者间的具体作用机制还亟待研究。

光激活磁共振脑功能成像技术与病毒工具联用:

参考文献:

吴瑞琪, 李博, 刘悦,等. 光激活磁共振脑功能成像的研究现状及前景[J]. 波谱学杂志, 2014, 31(2):295-305.

感谢刘悦提供相关材料

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