該團隊包括(左起)化學教授Scott Silverman;昆蟲學教授Gene Robinson;生物工程教授Fan Lam;動物學教授Ryan Dilger，電子計算機工程教授Zhi-Pei Liang

表觀遺傳學是基因表達調控的關鍵機制。研究人員說，這種被稱為表觀遺傳核磁共振成像(eMRI)的新方法將為研究這些變化如何塑造大腦開辟新的途徑，使其能夠生長、學習和應對壓力。這項技術也可能在阿爾茨海默病等神經退化過程的研究中有用。

研究結果發表在《PNAS》上。

“我們的DNA從一個細胞到另一個細胞都是一樣的，它不會改變，” King Li博士說。“但甲基等微小分子附著在DNA骨架上，以調節哪些基因被轉錄成RNA和翻譯成蛋白質。DNA甲基化是控制基因功能的一個非常重要的部分。”

Robinson說，先前的研究表明，當動物對環境做出反應時，DNA甲基化是大腦中發生的幾種表觀遺傳變化之一。Robinson是伊利諾斯州的昆蟲學教授，研究蜜蜂的基因組學、經驗和行為之間的相互作用。他的研究表明，隨著蜜蜂的成熟、在蜂巢中角色的改變、遇到新的食物來源或對威脅作出反應，它們大腦中的許多基因都會上調或下調。

在大腦中有兩個控制系統，在不同的時間尺度上運行，Robinson說。神經元和其他腦細胞在幾秒或幾毫秒內對環境信號作出反應，而基因表達的變化需要更長的時間。例如，當一只蜜蜂遇到威脅時，它必須立即采取行動。它依賴于神經元快速激活，并允許它采取防御行動。但蜜蜂的大腦甚至在威脅消失后仍會繼續做出反應，通過基因表達的變化為未來的潛在威脅做好準備。

“我們正專注于第二個控制系統，分子控制系統，它依賴于基因表達，”Robinson說。“這些變化可能只需要幾分鐘，但可能會持續幾個小時、幾天甚至更長時間。”

科學家們一直無法精確捕捉活體大腦隨時間發生的分子變化。早期對蜜蜂和其他生物的表觀遺傳學研究需要去除大腦組織或解剖動物進行分析。先前在人類大腦中進行的一項研究顯示，一種酶參與調節一種表觀遺傳變化，但并沒有直接針對這種表觀遺傳變化。伊利諾斯州的研究小組希望利用核磁共振成像技術直接成像活體受試者的表觀遺傳變化。

對于新方法，團隊依賴于一個關鍵的發現:Li博士意識到一種必需的氨基酸，蛋氨酸，可以攜帶一種被稱為碳-13的原子標記進入大腦，在那里它可以提供DNA甲基化所需的碳-13標記的甲基。這個過程將用一種罕見的碳同位素標記DNA。碳-13自然存在于人體中，但它的姐妹同位素碳-12含量要豐富得多，他說，活組織中約99%的碳都是碳-12。

蛋氨酸必須通過飲食來獲得，因此研究小組決定驗證這個想法，即喂養碳13標記的蛋氨酸來研究對象，可以讓它進入大腦，并標記那些正在發生甲基化的區域。

“當我們開始這個項目的時候，我們認為它可能會失敗，”Lam說，他和伊利諾斯州化學教授Scott Silverman合作開發了一種方法來區分甲基化的DNA和大腦中的其他甲基化分子。“但它的潛力太令人興奮了，我們不得不嘗試。”

之前的研究已經表明，核磁共振成像可以成像碳-13，而口服碳-13已經在人體實驗中使用了幾十年。但是活體動物發出的碳-13信號是微弱的，所以Lam和密歇根大學電子與計算機工程教授梁志培依靠他們在磁共振成像和磁共振波譜學方面的專業知識來顯著增強eMRI信號。

研究小組首先在嚙齒動物身上嘗試了這種方法，然后轉到小豬身上，小豬的大腦更大，更像人類的大腦。為此，他們依賴于合著者瑞安·迪爾格(Ryan Dilger)的專業知識。Dilger是伊利諾斯州的動物科學教授，專門研究影響豬神經發育的因素。

“這個項目是高度跨學科的，”Lam說。“我們的團隊有工程師、成像和放射學專家，以及在臨床應用方面有很強背景的人。我們還擁有營養科學、動物科學、化學和基因組學方面的專家。”

在對喂食含有碳13標記的蛋氨酸的小豬進行的實驗中，研究人員發現，核磁共振成像可以檢測到大腦中碳13標記的甲基群不斷增加的信號。進一步的分析使他們能夠將DNA上的甲基基團與其他甲基化分子區分開來。

小豬在出生幾周后，大腦中出現了比出生時更多的新DNA甲基化，而且僅從體型變化來看，這種增加遠遠大于預期。

“這一發現非常令人鼓舞，因為它反映了我們希望看到的，如果這個信號是環境響應的，”Li說。“從動物研究中得知，大腦中與學習和記憶有關的區域經歷了更多的表觀遺傳變化。豬大腦的DNA甲基化也存在區域差異，就像經典的MRI研究中存在區域差異一樣。

“我們現在希望將這項技術應用于人類。把這個標簽植入大腦很容易，而且對身體沒有任何傷害。我們將通過飲食給人們注射這種藥物，然后我們就能檢測到這種信號。”

他說，他們首次將這種方法應用于比較患有和沒有神經退行性疾病的人的大腦的研究。