根據昨天(10月13日)發表在《Science》雜志上的一項研究，一種磁共振成像的新方法可以讓神經科學家在毫秒的時間尺度上無創地跟蹤大腦信號的傳播。

該技術被其發明者稱為“神經元活動的直接成像”(DIANA)，它利用現有的磁共振成像(MRI)技術拍攝一系列快速發射的局部圖像，然后將這些圖像結合起來，生成一幅高分辨率的圖像，顯示大腦的哪些部分在什么時候活躍。

荷蘭神經科學研究所(Netherlands Institute for Neuroscience)的神經科學家Matthew Self指出，到目前為止，DIANA只在麻醉的小鼠身上進行了測試，其潛在機制還不完全清楚。他沒有參與這項研究。但他說，如果它可以在其他實驗室復制，這種方法可能代表著大腦成像的“重大進步”。

Self解釋說:“這將是第一種能夠在高空間和時間分辨率下無創測量神經活動的技術。我非常想嘗試一下。

核磁共振成像技術利用磁場和無線電波來產生組織的詳細圖像。它的使用依賴于這樣一個事實:不同的材料具有不同的磁性，使掃描儀能夠區分不同的組織或監測組織隨時間的變化。

研究人員長期以來一直使用這種技術的一個版本，即血氧水平依賴性功能磁共振成像(BOLD fMRI)，來研究人類大腦的工作原理。這種方法檢測大腦特定區域的血流變化，作為神經元活動的代理。

BOLD功能磁共振成像可以將活動精確到一毫米或更小的腦組織。但該技術的時間分辨率就不那么令人印象深刻了。血流的變化在幾秒鐘內就會發生，比神經元信號的毫秒時間尺度要慢得多。功能磁共振成像的圖像通常會顯示整個神經通路同時活躍，實際上，有一個神經信號從通路的一部分傳播到另一部分。

其他直接測量腦電活動的非侵入性技術，如腦電圖(EEG)和腦磁圖(MEG)，在精確定位神經元放電的時間方面要好得多，但在空間分辨率方面則差得多。

在這項新研究中，韓國成均館大學的生物醫學工程師Jang-Yeon Park和他的同事們提出了一種解決這一問題的新方法。他和他的同事們不像傳統的功能磁共振成像那樣，每隔幾秒就對大腦的某個特定截面進行完整的成像，而是將他們的磁共振成像設備設置成以極短的間隔(僅相隔幾毫秒)收集更小的部分圖像序列。然后，他們就能把這些部分圖像拼接在一起，得到每個時間點大腦橫截面的完整視圖。

為了看看他們是否能通過這種方法識別出任何大腦活動的信號，研究人員將麻醉的小鼠放入核磁共振掃描儀中，然后用電流輕輕刺激動物的胡須墊。他們發現，在電擊后25毫秒左右的時間里，他們的技術產生的圖像在體感皮層(小鼠大腦中感知胡須刺激的部分)中記錄了某種信號。

進一步研究，他們發現“DIANA信號”實際上會隨著時間的推移而移動。在晶須擊打大約10毫秒后，它出現在一個叫做丘腦的大腦區域，在25毫秒秒左右移動到體感皮層的一部分，幾毫秒后在體感皮層的另一部分出現。

通過使用電生理學和光遺傳學等侵入性技術對同一大腦區域進行測量，該團隊表明，他們的DIANA信號實際上是在追蹤對須刺激做出反應的神經元活動的傳播。

美國國家心理健康研究所(NIMH)的神經科學家和物理學家Peter Bandettini沒有參與這項研究，他稱該團隊的工作“非常有說服力”。他補充說，以前有幾個團隊試圖提高MRI的時間分辨率，但很少有人做了這么大的努力來支持他們的主張。這篇論文包括一個“實驗的杰作”，以證明該技術確實在跟蹤神經元信號的傳播。

更大的謎團是DIANA到底探測到了什么。Park和他的同事在他們的研究中表明，BOLD效應不太可能是原因所在，相反，他們認為他們的方法是通過記錄放電神經元的膜電位的變化，可能是通過膜表面水分的波動或通過細胞膨脹。Self說，這是一種可能，但總的來說，“機制還不是很清楚. . . .我認為這需要在未來的研究中得到證實。”

Park指出，DIANA目前的形式有一些局限性。Park是該方法的一項專利的共同發明人。由于該技術通過將不同時間拍攝的部分圖像拼接在一起的方式，很可能會受到所謂的運動人工制品的影響，即動物在拍攝之間移動頭部造成的干擾。這可能會給將DIANA翻譯給清醒的動物或人帶來一些挑戰。

Bandettini指出，DIANA接收到的信號也相對較弱，大約比BOLD fMRI小一個數量級。他說，研究小組需要相對復雜的核磁共振設備來模仿該團隊的方法，同時還需要一個包括重復任務或刺激的實驗協議，以實現多次掃描的平均結果。“你需要對同一件事進行多次重復，以及非常非常精確的分辨率。”

Bandettini指出了該團隊的另一項實驗，該實驗表明DIANA可能能夠區分興奮性和抑制性神經元信號——這即使是電生理學等侵入性技術也具有挑戰性。“這是超級興奮。這將為理解大腦如何相互作用開辟一個全新的領域。”

研究視覺處理的Self說，他知道有幾個小組已經在嘗試將DIANA應用于人類。他說，盡管這項技術仍然不能提供一些侵入性技術所能達到的單細胞分辨率，但如果它在其他實驗室也能發揮作用，將會產生廣泛的影響。“原則上，它可以應用到人類身上，甚至可以應用到病人研究中——它可以打開一個了解大腦健康和疾病的整個研究世界。”