大腦是一個(gè)極其復(fù)雜和活躍的器官，它利用電力和化學(xué)物質(zhì)在其子區(qū)域之間傳輸和接收信號(hào)。

研究人員探索了各種技術(shù)來直接或間接測(cè)量這些信號(hào)，以更多地了解大腦。例如，功能磁共振成像(fMRI)使他們能夠通過與血流相關(guān)的變化來檢測(cè)大腦活動(dòng)。

北卡羅來納大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究成像中心副主任、學(xué)教授Yen-Yu Ian Shih博士和他的實(shí)驗(yàn)室成員長(zhǎng)期以來一直對(duì)大腦中的神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)如何調(diào)節(jié)和影響神經(jīng)活動(dòng)、血流以及隨后的功能磁共振成像測(cè)量感到好奇在大腦中。該實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)新研究證實(shí)了他們的懷疑，即功能磁共振成像的解釋并不像看起來那么簡(jiǎn)單。

“在解釋功能磁共振成像數(shù)據(jù)時(shí)，很少考慮向血管發(fā)出的神經(jīng)化學(xué)信號(hào)，”同時(shí)領(lǐng)導(dǎo) 動(dòng)物磁共振成像中心的施說。“在我們對(duì)嚙齒動(dòng)物模型的研究中，我們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)除了向典型腦細(xì)胞發(fā)出眾所周知的信號(hào)作用外，還向血管發(fā)出信號(hào)，這可能對(duì)功能磁共振成像測(cè)量有重大貢獻(xiàn)。”

他們的研究結(jié)果 發(fā)表 在 《自然通訊》上，源于 美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和北卡羅來納大學(xué)投資的 380 萬美元撥款，用于支持生物醫(yī)學(xué)研究所安裝 和 升級(jí) 兩個(gè) 9.4 特斯拉動(dòng)物 MRI 系統(tǒng)和一個(gè) 7 特斯拉人體 MRI 系統(tǒng)影像中心。

當(dāng)特定大腦區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)增加時(shí)，該區(qū)域的血流量和氧氣水平會(huì)增加，通常與神經(jīng)活動(dòng)的強(qiáng)度成正比。研究人員決定利用這種現(xiàn)象來發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，并最終開發(fā)出功能磁共振成像技術(shù)來檢測(cè)大腦中的這些變化。

多年來，這種方法幫助研究人員更好地了解大腦功能，并影響他們對(duì)人類認(rèn)知和行為的了解。然而，施實(shí)驗(yàn)室的新研究表明，這種既定的神經(jīng)血管關(guān)系并不適用于整個(gè)大腦，因?yàn)椴煌竽X區(qū)域的細(xì)胞類型和神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)有所不同。

Shih 的團(tuán)隊(duì)專注于紋狀體(大腦深處涉及認(rèn)知、動(dòng)機(jī)、獎(jiǎng)勵(lì)和感覺運(yùn)動(dòng)功能的區(qū)域)，以確定大腦區(qū)域中某些神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)和細(xì)胞類型可能影響功能磁共振成像信號(hào)的方式。

在他們的研究中，Shih 的實(shí)驗(yàn)室使用基于光的技術(shù)控制嚙齒動(dòng)物大腦的神經(jīng)活動(dòng)，同時(shí)測(cè)量電、光、化學(xué)和血管信號(hào)以幫助解釋功能磁共振成像數(shù)據(jù)。然后，研究人員通過向大腦注射不同的藥物來操縱大腦的化學(xué)信號(hào)，并評(píng)估這些藥物如何影響功能磁共振成像反應(yīng)。

他們發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，紋狀體的神經(jīng)活動(dòng)增加，但血管收縮，導(dǎo)致功能磁共振成像負(fù)信號(hào)。這與紋狀體中的內(nèi)部阿片類信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)。相反，當(dāng)另一種神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)多巴胺在紋狀體中占主導(dǎo)地位時(shí)，功能磁共振成像信號(hào)呈陽(yáng)性。

“我們發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)例子，紋狀體中的功能磁共振成像信號(hào)看起來與預(yù)期的完全不同，”施說。“重要的是要注意潛在的神經(jīng)化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)，這些信號(hào)傳導(dǎo)可以同時(shí)影響血管或血管周圍細(xì)胞，可能會(huì)掩蓋由神經(jīng)活動(dòng)觸發(fā)的功能磁共振成像信號(hào)變化。”

Shih 實(shí)驗(yàn)室的成員，包括第一作者和共同作者 Dominic Cerri 博士和 Lindsey Walton 博士，前往英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)，在那里他們能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并進(jìn)一步證明阿片類藥物的血管效應(yīng)。

他們還在北卡羅來納大學(xué)的 7-特斯拉 MRI 系統(tǒng)中收集了人類功能磁共振成像數(shù)據(jù)，并與斯坦福大學(xué)的研究人員合作，利用經(jīng)顱磁刺激(一種利用磁場(chǎng)刺激人腦的程序)探索可能的發(fā)現(xiàn)。

通過更好地了解功能磁共振成像信號(hào)，基礎(chǔ)科學(xué)研究人員和醫(yī)師科學(xué)家將能夠更準(zhǔn)確地了解健康大腦以及神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)精神疾病的神經(jīng)活動(dòng)變化。