小鼠大脑的一系列地图显示DIANA对视觉刺激的反应

一系列小鼠大脑图显示，与标准功能磁共振成像相比，小鼠对视觉刺激的反应更快。图片来源:p.t. Toiet al。/科学

对一种主力神经科学技术进行调整，使其比以往任何时候都更快地绘制出老鼠的大脑活动。

功能磁共振成像(fMRI)在时间灵敏度上有了成倍的提高，使其能够更好地揭示心理过程背后的细尺度动力学。研究人员于10月13日发表了研究结果科学1．

一种标准的功能磁共振成像技术通过追踪神经元突然消耗更多氧气区域的血流量增加，间接地测量大脑活动。然而，这个信号可能比神经元活动晚1秒，这降低了时间敏感度——快速的细胞之间发送信息只需要几毫秒。

韩国水原成均馆大学(sungkykwan University)的核磁共振物理学家张妍·朴(Jang-Yeon Park)着手提高功能核磁共振的时间精确度，以跟踪毫秒量级的神经元活动。他和他的同事们通过改变高强度核磁共振扫描仪的软件，使其每5毫秒获取一次数据——大约是标准技术捕获数据速度的8倍——并对他们所测试的动物进行频繁、重复的刺激，从而实现了这一目标。这抑制了慢节奏的血氧信号，使得观察快节奏的大脑活动成为可能。研究人员将他们的技术命名为神经元活动直接成像，简称DIANA。

快速的改变

在这项研究中，一只在核磁共振扫描仪中被麻醉的老鼠的面部每200毫秒受到一次轻微的电击。在电击之间，机器每5毫秒从老鼠大脑的一个小区域获取数据。在下一次电击后，它移动到一个新的区域。在软件将所有东西拼接在一起后，这个过程产生了大脑完整切片的正面图像，捕捉了200毫秒时间内的神经元活动。(空间分辨率为0.22毫米，这是高强度MRI的标准。)

在扫描过程中，面部刺激激活了大脑中处理感官输入的部分，导致该区域被信号激活。研究人员发现，这种“DIANA反应”发生在神经元发出信号或“峰值”的同时，这些活动是通过外科手术插入的探针单独测量的。此外，研究小组能够通过大脑电路追踪DIANA信号，因为神经元组之间顺序地相互触发。

然而，目前还不完全清楚是什么导致了DIANA的反应。当神经元发送信息时，它们会膨胀，周围的水分子会重新排列。这些水的变化可能会被检测为信号(核磁共振仪器通常检测到水分子中的氢原子信号)。进一步的实验表明，DIANA的反应与离子进入神经元所需的时间有关，离子进入神经元的时间会改变它们的电压，最终使它们产生峰值并发送信息。因此，Park和他的同事提出DIANA信号来自于多个神经元改变它们的电压。

细节来

尽管研究小组还没有证实这种反应背后是什么生物现象，但专家们并不担心。

加拿大伦敦西部大学的物理学家和神经科学家Ravi Menon说:“数据本身表明，不管机制如何，这是一种与大脑活动峰值紧密相关的核磁共振变化。”“我认为这可能是最重要的一件事，细节可以稍后再说。”

加州大学伯克利分校的物理学家Ben Inglis对此表示赞同。他说，这种信号可能是血液循环的一种影响，但最终，来源并不重要，因为反应非常快，因此很有用。

目前最大的问题是，这种新的数据采集方法能否应用于人体功能磁共振成像扫描。DIANA方法假设重复的刺激，如闪光灯，每次都会以相同的方式影响大脑。梅农说，但清醒的人可能会厌倦或习惯这种重复，从而改变这种反应。此外，复杂的心理过程，如情绪反应或决策，可以长期影响大脑活动，很难用快速、重复的刺激以可重复的方式触发，Inglis说。

尽管如此，研究团队还是很高兴看到其他人也在实施DIANA方法。该研究的合著者、韩国首尔国立大学的电生理学家kjeehyun Kwag认为，同时从功能和结构上观察大脑的连通性将改变该领域。

“这将回答神经科学中许多悬而未决的问题，”她说。