Nature: 重大突破！直接“看清”大脑神经活动将改变脑科学吗？-杭州脑海科技有限公司

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功能性核磁共振（fMRI）的原理是检验血氧水平的变化，而血氧水平随神经元活动而波动。但是，与它们所代表的神经元相比，这些血流相关或血流动力学的变化相对较慢。由此，功能磁共振成像的扫描必须变得更快。

2023年3月18日，Diana Kwon在Nature（IF=69.504）上发表了题为“THE SEARCH FOR BETTER BRAIN IMAGES”的文章，总结了功能磁共振成像的兴起及最新研究进展，并进一步阐释了神经元活动直接成像（DIANA）的工作原理、优势、局限性以及其在神经科学领域的重要地位。

通常，fMRI获取大脑解剖切片作为完整图像，而这一过程限制了收集数据的速度。首尔成均馆大学的Jang-Yeon Park教授和其团队调整了软件，将大脑图像数据分段捕获，然后使用计算机算法重建图像。使用这种修改，辅以强大的MRI扫描仪，研究人员可以在毫秒时间尺度上跟踪大脑活动，其时间精度远高于传统fMRI。Jang-Yeon Park将其称为神经元活动直接成像（DIANA），其工作原理是对传统的MRI机器进行改造，以更快的速度，在毫秒级别生成一系列局部图像。

功能磁共振兴起

功能磁共振成像的基本原则是神经血管耦合——大脑活动和血流是有联系的。1880年，意大利生理学家Angelo Mosso在研究颅骨缺陷患者的血流变化时观察到，认知任务可以诱发血流的变化。1990年，时任新泽西州默里希尔AT&T贝尔实验室研究员的Seiji Ogawa和他的同事注意到：使用MRI拍摄的大鼠和小鼠大脑图像会出现黑线。这些线条是血管——阴影轮廓是由于脱氧血红蛋白（一种蛋白质，当含氧时，将氧气输送到全身细胞）形成的。含氧和脱氧血红蛋白具有不同的磁性，含氧血液的下降导致发现血管的MRI信号伴随降低。研究人员提出，可以利用这种血氧水平依赖性（BOLD）信号来测量大脑活动。几年后，包括Ogawa和他的同事在内的三个小组独立证明了BOLD可以在MRI扫描仪中检测到人类的大脑激活，产生了研究人员现在称为功能磁共振成像的方法。

虽然测量脑电活动的脑电图（EEG）和记录神经元活动产生的磁场的脑磁图（MEG）收集数据的速度比fMRI快得多（二者在毫秒而不是秒的时间尺度上拾取信号），fMRI更擅长精确定位活动在大脑中发生的位置。且fMRI与正电子发射断层扫描不同，无需将放射性物质注入血液。

尽管如此，fMRI仍有局限性。一是它不直接测量大脑活动。血液氧合变化可能需要几秒钟才能发生，而神经元在毫秒级的时间尺度上放电。这就提出了一个问题，即神经活动究竟如何导致血氧水平的变化 - 以及神经元活动与血液氧合之间的关系在整个大脑中是否相同。二是fMRI也很难对血流受到影响的疾病进行成像，例如心血管疾病。由于基于BOLD的功能磁共振成像测量血流的变化，因此无法区分血管异常和神经元异常。

神经元成像

由此，一些研究人员正在寻找测量大脑功能的替代方法，特别是直接检测神经元活动。一种方法是神经电流成像（neural current imaging），测量神经元电活动产生的电磁场，类似于EEG或MEG。研究人员已经证明，这种方法在理论上是可行的，然而，在人类大脑中，科学家们收效甚微。

研究人员还试图通过跟踪生理变化来检测神经元功能。当神经元接收来自其他激活神经元的输入时，它们会暂时膨胀。这可以使用扩散磁共振成像来检测，这是一种测量水分子运动的技术。