新型傳感器助力MRI監(jiān)測大腦深處的神經活動

麻省理工學院的神經科學家們開發(fā)了一種新的磁共振成像( MRI )傳感器，這種傳感器通過跟蹤鈣離子，可以監(jiān)測大腦深處的神經活動。這一傳感器的實驗將會為科學家們提供觀測大腦更有力的手段，將會促進神經科學、計算機科學的深入發(fā)展。

其他類型的MRI通過檢測血流的變化，獲得神經元活動的信息，而血流變化只是提供了神經活動的間接信號。 而鈣離子直接與神經元活動有關，這種新型感應器可以讓研究人員將特定的大腦功能與其神經元活動模式聯(lián)系起來，并確定特定任務期間不同大腦區(qū)域之間的通信距離。

“鈣離子的濃度與神經系統(tǒng)中的信號事件密切相關，”麻省理工學院生物工程、腦與認知科學、核科學與工程系的教授Alan Jasanoff說，他也是麻省理工學院McGovern大腦研究所的準成員，也是該項研究中的資深研究人員?！拔覀冊O計了一種具有分子結構的探針，可以檢測到與神經活動相關的細胞外的鈣離子的相對細微的變化。"

在大鼠實驗中，研究人員表示，他們的鈣傳感器能夠準確地檢測到由化學或電刺激引起的神經活動的變化，這種變化位于大腦中被稱為紋狀體的部位的深處。

麻省理工學院的研究人員Satoshi Okada和Benjamin Bartelle是這項研究的主要作者，這項研究發(fā)表在4月30日的《自然納米技術》雜志上。其他作者包括Picower學習和記憶研究所的成員，大腦和認知科學教授Mriganka Sur，研究助理李楠，博士后Vincent Breton-Provencher，前博士后Elisenda Rodriguez，Wellesley學院本科生李繼英以及高中生James Melican。

追蹤鈣離子

MRI是神經科學研究中的支柱工具，它可以讓科學家識別特定任務中大腦的活躍部分。最常用的MRI類型，稱為功能性MRI，通過測量神經活動的間接標志——腦血流量，來評測神經活動情況。Jasanoff和他的同事們想要設計一種方法，可以更加特異性且高分辨率的繪制神經活動模式，而這在基于識別血流變化的MRI技術中是無法實現(xiàn)的。

“能夠繪制深層組織中大腦活動圖的方法依賴于血液流動的變化，而血流會在許多不同的生理路徑中與神經活動相互影響，”Jasanoff說，“因此，你最終看到的信號往往很難歸因于某個特定的因素?！?/p>

鈣離子流可以與神經元活動直接聯(lián)系起來。當神經元發(fā)出電脈沖時，鈣離子就會涌入細胞。大約十年以來，神經科學家一直在用熒光分子標記大腦中的鈣，并用傳統(tǒng)顯微鏡對其進行成像。這種技術可以精確地跟蹤神經元活動，但它的使用僅局限于大腦的很小一部分區(qū)域內。

麻省理工學院的研究小組開始尋找一種磁共振的方法對鈣離子進行成像，這種方法可以分析更大的組織體積。為了做到這一點，他們設計了一種新的傳感器，可以對細胞外鈣濃度的細微變化作出反應，并且其反應可以被MRI檢測到。

這種新型傳感器由兩種粒子組成，當有鈣離子存在時，這兩種粒子可以聚集集在一起。這兩種粒子中，一個是天然存在的鈣結合蛋白synaptotagmin，另一個是包裹在脂肪中的磁性氧化鐵納米顆粒，它可以結合synaptotagmin，但只有當鈣離子存在時二者才能夠結合。

鈣的存在誘導這些顆粒聚集在一起，使它們在MRI圖像中顯得更暗。神經元活性低時，神經元外鈣離子含量高；當鈣濃度下降時，意味著該區(qū)域的神經元要發(fā)出電脈沖。

檢測大腦活動

為了測試這些傳感器，研究人員將它們注射到大鼠紋狀體中（紋狀體是進行計劃運動和學習新行為的區(qū)域）。然后他們給老鼠施加可以誘導短時間神經活動的化學刺激，觀察發(fā)現(xiàn)，鈣離子傳感器記錄了這一活動。

他們還發(fā)現(xiàn)，這種傳感器可以捕捉大腦部分區(qū)域中與獎賞相關的電刺激信號引發(fā)的活動。

“這種方法為研究大腦功能提供了一種新的方式?！?Max Planck生物控制論研究所的一個研究小組組長辛宇說。他并未參與該項研究。

“盡管我們在過去的半個世紀里積累了足夠的細胞內鈣信號的知識，但很少有人確切研究細胞外鈣的動態(tài)變化對大腦功能的貢獻，或者胞外鈣信號是如何指示大腦功能的。” 辛宇說，“當我們破譯像大腦這樣復雜且自適應的系統(tǒng)時，每一條信息都很重要。"

目前的這種傳感器在最初的大腦刺激后幾秒鐘內就會做出反應，但研究人員正在想法使其響應速度更快。他們還試圖改造傳感器，使這些顆粒可以擴散到大腦更廣泛的區(qū)域，并能夠通過血腦屏障，這樣將能夠實現(xiàn)傳感器的輸送，而無需將它們直接注射到要測試的部位。

有了這種傳感器，Jasanoff希望能比現(xiàn)在更精準的繪制出神經活動的模式。他說:“想象一下，你可以測量大腦中不同部位的鈣離子活性，并能嘗試判斷不同類型的感覺刺激通過它們誘導的神經活動的空間形式進行不同的編碼?！?/p>