探索更优良的脑成像技术
当人们移动手部时，大脑自上而下的核磁共振扫描显示左半球运动皮质神经元的活动性增加（红色和黄色）。
研究人员正致力于改进神经科学家最钟爱的工具之一—功能磁共振成像技术。
去年10月，韩国的研究人员似乎已经克服了功能磁共振成像技术（Functional magnetic resonance imaging, fMRI, 一种广泛用于研究人脑的技术）的一个最大局限性，神经成像界因此群情激昂。
Jang-yeon Park是这项研究的作者之一，其在明尼阿波利斯的明尼苏达大学（University of Minnesota）攻读硕士学位时起就一直在思考如何解决fMRI的局限性。在攻读医学物理学博士学位期间，Park对神经科学产生了浓厚的兴趣。他穿梭于各大与此相关的研讨会中，聆听研究人员描述他们使用fMRI进行的人脑研究。
fMRI技术的工作原理是捕捉血氧水平的变化，其会随着神经元活跃程度而波动。但与神经元相比，这些与血液流动相关的或血液动力学变化相对较慢。Park认为，上述时间差致使fMRI存在显著的局限性，为了揭示大脑的工作原理，fMRI技术必须更加迅速的发展。
通常情况下，fMRI获取的是完整大脑切片图像，但这一过程限制了该技术收集数据的速度。首尔成均馆大学（Sungkyunkwan University）的Park团队对软件进行了调整，以捕获分段的大脑图像数据，然后使用计算机算法重建图像。使用这种改进技术和强大的核磁共振扫描仪，研究人员可以将跟踪大脑活动的时间缩短到毫秒级，这一时间精度显著高于传统的fMRI。可实现通过反复刺激小鼠的胡须垫来检测神经元的活动。研究人员于2022年10月发表了这项技术，名为“神经元活动的直接成像”（Direct imaging of neuronal activity, DIANA）。
fMRI技术的兴起
DIANA只是研究人员改进开发fMRI技术的方法之一。Park等研究者正在设计更贴近他们欲测量神经元的技术，而非依赖于通过替代测量大脑血液流量来间接提示神经元的活动。其他研究者则发现，改善的fMRI空间和时间分辨率有助于捕捉更准确的大脑活动图像，但仍然依赖于基于血液的信号。
里斯本尚帕里莫未知中心（Champalimaud Centre for the Unknown）的跨学科核磁共振科学家Noam Shemesh表示，研究人员一直在探索更多有前景的途径，这一切都非常令人兴奋。
fMRI的基本原理是神经血管耦合，即将大脑活动和血液流动相联系。1880年，意大利生理学家Angelo Mosso在研究头骨缺陷者的血液流量变化时观察到认知任务可以引起血流量的变化。十年后，英国科学家Charles Roy和Charles Sherrington提出假设，即神经元活动产生的代谢物可以增加流向大脑的血流量，并观察了将脑提取物注入动物血液的结果。
1990年，当时在新泽西州默里希尔的AT&T贝尔实验室（AT&T Bell Laboratories）担任研究员的Seiji Ogawa等人注意到，他们使用MRI拍摄的大鼠和小鼠的大脑图像中均出现了黑色线条。并发现这些线条其实是血管，模糊的轮廓是由脱氧血红蛋白（一种当氧合时可将氧气输送到全身细胞的蛋白质）所形成。氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有不同的磁性，氧合血红蛋白含量的下降导致发现血管的MRI信号随之下降。研究人员提出，这种血氧水平依赖（Blood-oxygen-level dependent, BOLD）的信号可以用来检测大脑活动
几年后，包括Ogawa团队在内的三个小组独立证明，BOLD可以在核磁共振扫描仪中检测到人类大脑的活动，诞生了研究人员目前称为fMRI的技术。
尽管测量脑电活动的脑电图仪（Electroencephalography, EEG）和记录神经元活动产生磁场的磁脑图仪（Magnetoencephalography, MEG）收集数据的速度比fMRI快得多（获取信号的时间为毫秒级，而非秒）。但与其它神经成像技术相比，fMRI具有明显的优势，因其在精确定位大脑中活动发生的位置方面更胜一筹。与正电子发射断层扫描不同，fMRI无需向血液中注入放射性物质。
MRI已经成为医学上创建细节解剖图像的流行工具，世界各地的医院均可使用MRI扫描仪。只需在现有机器上安装新软件，就可以进行fMRI。位于马里兰州贝塞斯达的国家心理健康研究所（National Institute of Mental Health）的物理学家和神经学家Peter Bandettini表示，他们只是利用了基于MRI已取得的成果。正因为如此，fMRI才推广得如此迅速和容易。目前研究人员每年可发表1万多篇关于fMRI的学术论文。
尽管如此，fMRI技术仍有局限性。其中之一是其无法直接测量大脑活动。血液的氧合发生变化需要花费数秒，而神经元放电则处于毫秒级的时间尺度。由此而产生了一个问题，即神经活动究竟是如何导致血氧水平发生变化，以及神经元活动与血液氧合之间的关系是否在整个大脑均呈现一致变化。
由于基于BOLD的fMRI测量的是血流量的变化，所以它不能区分究竟是血管异常还是神经元异常。因此fMRI很难成像受血液流动影响的疾病，如心血管疾病或阿尔茨海默病。位于亚特兰大的埃默里大学（Emory University）和佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的核磁共振物理学家和神经学家Shella Keilholz表示，这给理解和治疗疾病带来了困难。
神经元水平的成像
一些研究人员正在寻找检测大脑功能的替代技术，尤其是可直接检测神经元活动的方法。
一种名为神经电流成像的技术可测量神经元电活动产生的电磁场，其类似于EEG或MEG的功能。马萨诸塞州波士顿哈佛医学院（Harvard Medical School）的物理学家兼放射学家Bruce Rosen表示，由于神经电流成像技术产生的磁场比BOLD效应产生的磁场小得多，这使得MRI很难发现。研究人员已经证实了这种技术在理论上的可行性。例如，可以使用MRI在死后的海龟大脑中检测到电磁信号。然而，研究人员使用神经电流成像技术在人类大脑中几乎未检测到电磁信号。
研究人员还试图通过跟踪生理变化来检测神经元功能。当神经元接收到来自其他激活神经元的信号输入时会暂时肿胀，并可使用扩散磁共振成像法来检测（一种测量水分子运动的技术）。位于巴黎的NeuroSpin研究机构的神经学家和物理学家Denis Le Bihan表示，尽管扩散磁共振成像检测神经元肿胀变化的确切机制仍是一个悬而未决的问题，但可能的解释是细胞肿胀改变了水分子在神经元膜周围的组织方式。
由Le Bihan在20世纪80年代开发的扩散磁共振成像被用于临床检测中风和其他脑部疾病。其也是扩散张量成像的基础，研究人员使用扩散张量成像来绘制大脑白质的组织图。但Le Bihan等人在21世纪处首次报道使用这种名为扩散功能磁共振成像的技术检测神经元功能的能力时却遭到了质疑。研究人员提出疑问，扩散功能磁共振成像是否能够识别神经元放电时发生的形态变化，或是仅可捕捉血流的变化。
Le Bihan等人致力于让神经成像界信服，扩散功能磁共振确实可以捕捉到与神经元活动有关的细胞肿胀。例如，Shemesh表示，他的团队过去几年的研究为这一点提供了明确的证据。他解释到他们观察到的信号过于迅速以至于不可能由血液流动所导致，而且这些信号与神经元活动形态变化的测量结果相一致。
尽管如此，扩散功能磁共振成像技术还未被广泛采用。首先是因为其产生的信号比基于BOLD的成像信号更弱，并且其还需要科研人员学习如何使用新软件。Keilholz表示，更重要的是，研究人员还未信服扩散功能磁共振的实用价值。她补充到，待此项技术被证实在患有阿尔茨海默氏症等疾病的患者中产生不同于BOLD的结果时可能会被推广采用。
关于大脑成像的新观点
就Keilholz而言，其对扩散功能磁共振成像的潜力深信不疑。直到韩国学者Park的方法出现之前，她认为这项技术在直接检测神经元活动方面最具前景。
正如Park解释的那样，他的方法的技术背景可以追溯到2014年。Park在首尔成均馆大学任职后不久，偶然看到了位于贝塞斯达的国家神经疾病和中风研究所（National Institute of Neurological Disorders and Stroke）的研究人员发表的一篇论文，其报告了一种获取fMRI数据的独特技术。这项技术使研究人员能够以40-50毫秒的分辨率收集数据，这比传统的fMRI快得多，他们用这项技术来研究大鼠大脑特定皮质层的神经元活动。Park认为，他或许能够使用这项技术来进一步提高时间分辨率，以达到神经元放电的速度。
Park对成像软件的修改使时间分辨率提高到5毫秒。这使得研究小组能够检测到通过反复刺激动物的胡须垫在两个区域产生的神经元活动。（两个区域分别为处理感觉输入的躯体感觉皮质和负责感觉与运动输入的中继站—丘脑）。
据位于教堂山的北卡罗来纳大学医学院（University of North Carolina School of Medicine）的神经成像科学家Yen-Yu Shih表示，DIANA代表了fMRI在时间分辨率方面的突破。Shih补充到，尽管在这种技术被广泛采用之前还需要做更多的准备工作，但仅仅证明有这种可能性也已是对这一领域做出了巨大贡献。
尽管如此，专家警告称目前肯定DIANA的用处还为时过早。
Bandettini表示，首先，DIANA技术仍有局限性。与基于BOLD的fMRI相比，DIANA产生的信号较小，这意味着它可能很难被检测到。DIANA技术还对运动高度敏感，并要求刺激与数据采集精确同步。而Park研究中的动物均处于麻醉状态并且是对胡须垫进行电刺激。这可能会将该技术的应用限制在可以提供规律刺激的视觉、听觉或触觉等系统中。而对于更高层次的认知功能如记忆，通过这种方式则很难获取。
另一个问题是，研究人员使用DIANA技术检测到了什么变化。Park等人提出，他们注意到了神经元表面水分子发生了改变。细胞膜电位（细胞膜两侧带电离子的浓度）的变化会改变细胞表面的水合作用。MRI扫描仪可以感知水分子的变化，或许能够检测到这种差异。Park还提到，另一种可能性是细胞肿胀，扩散磁共振也可以检测到这一点。Le Bihan指出，这两种效应都可能发生，因为细胞肿胀可能与细胞膜周围的水层有关。然而Le Bihan和其他专家表示，若存在上述因素，那么这些因素中的究竟哪一个是Park团队观察到效应的基础，目前仍无定论。
Bandettini表示，从理论上讲，技术上的改进可以解决这些问题，但目前最大的问题是，其他团队是否能够独立重复出Park团队的结果。Bandettini建议，在研究人员对正在观察的信号的性质了解更多、并能得到一些再现结果之前，对此的热情应该有所缓和。然而，他补充到如果研究人员能想出办法使DIANA技术能够更好地运作，那将是巨大的收获。
Park及其团队现在正在努力优化数据采集和分析，并使DIANA fMRI可在人类身上执行。Park认为这才是当务之急。
日益强大的磁共振成像扫描仪的出现提高了脑扫描的分辨率。
构建更精良的BOLD技术
与此同时，研究人员还设计出了在不抛弃神经血管耦合原理的情况下改善fMRI的技术。
硬件技术是一个关键的进步。更强的磁体由于降低了信噪比，使图像能够在更高的空间和时间分辨率下获得，意味着研究人员可以收集更好的数据。最早的一些人类fMRI研究是使用磁场强度为1.5特斯拉的磁体，大约是地球磁场的3万倍。科学家们目前已经在人类神经成像研究中使用了高达10.5特斯拉的磁体，而且还在建造磁场强度更强的磁体。今年2月，荷兰的一个研究机构联盟宣布，将建造迄今为止世界上磁场强度最强的人类MRI扫描仪，一台磁场强度为14特斯拉的机器。
研究人员还改变了观察大脑血液流动的方式。因为BOLD依赖于血氧水平的变化，大静脉将脱氧血液从大脑活动发生的部位排出，所以其对流经大静脉的血流相比于通过如毛细血管等小血管区域更为敏感。致使研究人员无法更细致地观察大脑。为了解决上述问题，研究人员开发了测量血容量而非血液氧合变化的血管空间占用等技术。此类工具使神经科学家能够获得比标准BOLD fMRI更佳的空间分辨率，从而有可能观察到大脑皮层各层神经元的活动差异。
其他改良包括更新数据收集技术和使用机器学习来改进图像重建。一些研究人员正在努力提升他们对BOLD信号本身的理解。Shih表示，即使在30年后，关于BOLD成像的诸多问题仍然存在，例如神经血管耦合是否以相同的方式在不同的大脑区域发生，以及血流动力学信号如何受到不同类型的细胞或分子（如神经递质）活动的影响。
马萨诸塞州波士顿大学（Boston University）的生物医学工程师Anna Devor等人正在研究血液流动的变化与神经递质波动之间的关系。Devor表示，目前观察fMRI图谱，可看到活动发生的部位，但不能明确活动的意义。她们正在试图厘清这些血流动力学模式与特定的神经元回路的关系。
现实情况是尽管DIANA这样的技术引起了神经成像领域的热议，但至少在可预见的未来，BOLD将继续存在。Bandettini表示，研究人员一直在寻找比BOLD更有效的技术。但BOLD在许多神经科学问题上表现出“惊人地强大”。Bandettini认为，BOLD仍将有更多的惊喜和见解有待探索。
原文检索：
Diana Kwon. (2023) The search for better brain images. Nature, 617: 640-642.
Kiri/编译.
