Neuron：整合fMRI與光遺傳學(xué)的全腦研究
近日，Myunghwan Choi和Seong-Gi Kim團(tuán)隊(duì)通過(guò)整合光遺傳操作與fMRI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小鼠皮層神經(jīng)激發(fā)的靈活操控，以研究動(dòng)物大腦功能狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。此技術(shù)具備空間、時(shí)間多功能性，與解剖學(xué)定義的軸突跟蹤數(shù)據(jù)相一致，但受麻醉劑類型影響。他們的成果發(fā)表在最新一期的Neuron雜志上，名為“Whole-brain mapping of effective connectivity by fMRI with cortex-wide patterned optogenetics”
功能磁共振成像（fMRI）在研究大腦回路的因果關(guān)系方面具有重要價(jià)值，但受時(shí)間分辨率限制。光遺傳學(xué)與fMRI和光學(xué)內(nèi)在信號(hào)成像結(jié)合有助于獲取有效連接數(shù)據(jù)，但植入光纖限制實(shí)驗(yàn)靈活性。
為克服限制，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型混合系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)成像、模式光遺傳學(xué)與全腦fMRI，采用纖維束中繼方法（fiber bundle relay approach）將光刺激光束定位到目標(biāo)皮質(zhì)區(qū)域。這一新方法可研究活體動(dòng)物全腦依賴狀態(tài)的有效連接變化，增強(qiáng)光遺傳學(xué)的靈活性和兼容性。
模式光遺傳fMRI的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
作者將時(shí)空靈活的皮層范圍光遺傳學(xué)與全腦fMRI相結(jié)合（圖1A）。該光學(xué)系統(tǒng)分為兩個(gè)空間分離的模塊：（1）圖案光遺傳學(xué)模塊，位于MRI孔外，使用數(shù)百萬(wàn)可編程微鏡構(gòu)成的DMD生成設(shè)計(jì)光場(chǎng)，并與sCMOS相機(jī)相結(jié)合；（2）投影模塊，位于MRI孔內(nèi)，包括投影透鏡、直角棱鏡和由MRI兼容塑料制成的3軸平移級(jí)。
兩個(gè)模塊通過(guò)雙向轉(zhuǎn)發(fā)光場(chǎng)的光纖束相互連接。該系統(tǒng)的投影模塊沒(méi)有在MRI圖像中引入明顯偽影。樣品平面的視野直徑約為14毫米，景深約為2.76毫米。成像和光遺傳學(xué)的空間分辨率約為40微米。圖案光遺傳學(xué)的光學(xué)輻照度高達(dá)32 mW/mm2，足以實(shí)現(xiàn)深皮質(zhì)層光遺傳學(xué)的生理輻照度。DMD支持高達(dá)9.5 kHz的刷新率，提供亞毫秒級(jí)時(shí)間精度。該混合系統(tǒng)為研究大腦有效連接提供了新途徑，具有很高的空間和時(shí)間分辨率。
圖1. 成像的整體設(shè)計(jì)
MRI與廣域光學(xué)成像的共配準(zhǔn)
作者為小鼠（轉(zhuǎn)基因或病毒介導(dǎo)對(duì)ChR2表達(dá)小鼠）制備了皮層范圍的變薄頭骨窗口，采取措施減少偽影并實(shí)現(xiàn)光學(xué)與MRI圖像的共同配準(zhǔn)（圖2A）。研究中應(yīng)用牙科樹(shù)脂墻、D2O溶解的瓊脂糖凝膠、填充RhB的封閉式聚乙烯管（圖2B），作為核磁共振與光學(xué)圖像共同注冊(cè)標(biāo)志。實(shí)現(xiàn)多空間共同注冊(cè)（圖2D），依據(jù)共同注冊(cè)參考推導(dǎo)出空間變換矩陣。
通過(guò)測(cè)量25個(gè)正方形的幾何中心，位移誤差為35±19微米，接近系統(tǒng)光學(xué)分辨率（40微米）。此誤差被認(rèn)為可以忽略不計(jì)。最后，利用艾倫小鼠大腦連接圖集（圖2E）生成光刺激模式，并在結(jié)構(gòu)核磁共振成像和光學(xué)反射成像上觀察到良好排列的大型皮亞爾血管與光刺激模式。
圖2. 核磁共振成像和光學(xué)空間坐標(biāo)的共配準(zhǔn)
模式光遺傳刺激的特征
通過(guò)Monte Carlo模擬和固定小鼠大腦切片實(shí)驗(yàn)測(cè)量，作者研究了模式光遺傳刺激下光子分布和光熱效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光束尺寸增加會(huì)提高光穿透深度，最適合激發(fā)整個(gè)皮層的輻照度為3.6 mW/mm2（圖3A-F）。
模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模式光遺傳照明引起的光熱效應(yīng)屬于生理范圍（圖3G）。輸入光束模式與組織深度保持一致（圖3H）。光散射模糊輸入模式邊界，導(dǎo)致有效邊界擴(kuò)大。在3.6 mW/mm2下，2至4毫米的模式光遺傳刺激可有效影響整個(gè)皮層，具有高空間特異性。
表達(dá)ChR2的轉(zhuǎn)基因小鼠的全腦CBV加權(quán)MRI
作者驗(yàn)證了模式光遺傳刺激是否能誘導(dǎo)可靠的fMRI反應(yīng)。使用轉(zhuǎn)基因Thy1-ChR2小鼠作為動(dòng)物模型，采用腦血量加權(quán)fMRI，以提高功能敏感性和特異性。他們研究了光遺傳刺激頻率和持續(xù)時(shí)間的影響，并確定了適當(dāng)?shù)腗RI參數(shù)。同時(shí)測(cè)試了三種不同輻照度水平，并根據(jù)結(jié)果選擇了3.6 mW/mm2的輻照度。作者使用了基于圖集的半隨機(jī)序列中的九個(gè)刺激和恢復(fù)塊，分別針對(duì)不同的皮層區(qū)域（圖4A）。
結(jié)果表明模式光刺激可靠地誘發(fā)了相關(guān)ROI中CBV的增加，證實(shí)了模式光刺激的有效性（圖4C）。使用一般線性模型生成組平均fMRI映射，發(fā)現(xiàn)fMRI響應(yīng)隨輻照度增加而增加（圖4D-H），受刺激部位大小異質(zhì)（圖4F）。該方法在研究大腦活動(dòng)和神經(jīng)血管耦合方面具有潛力。
圖4. 在氯胺酮/甲苯噻嗪(K/X)麻醉下對(duì)Thy1-ChR2小鼠進(jìn)行模式化光遺傳學(xué)刺激的造影劑增強(qiáng)CBV加權(quán)fMRI研究
有效連通性和結(jié)構(gòu)連通性的全腦比較
作者通過(guò)MRI模式測(cè)量大腦區(qū)域間因果關(guān)系，并探究大規(guī)模功能網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)連接間關(guān)系。實(shí)驗(yàn)選取8只Thy1-ChR2小鼠，分析了9個(gè)皮層區(qū)域的皮層范圍模式光遺傳刺激的fMRI數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，fMRI激活區(qū)域與密集軸突投影位點(diǎn)一致（圖5A-B），同時(shí)通過(guò)EC和SC數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量的EC數(shù)據(jù)與SC數(shù)據(jù)集相似（圖5F）。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量的EC在很大程度上反映了單突觸軸突投影，有一些差異可能是由于SC測(cè)量的靈敏度較高所引起。
圖5. 通過(guò)全腦fMRI與模式光遺傳刺激與結(jié)構(gòu)連接測(cè)量的有效連接
結(jié) 論
本研究提出的方法提高了MRI的靈活性和生產(chǎn)力，為研究全腦功能網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)大腦狀態(tài)依賴性回路解剖或生物標(biāo)志物篩選提供了新的機(jī)會(huì)。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.03.002
參考文獻(xiàn)
Kim S, Moon HS, Vo TT, Kim CH, Im GH, Lee S, Choi M, Kim SG. Whole-brain mapping of effective connectivity by fMRI with cortex-wide patterned optogenetics. Neuron. 2023 Mar 24:S0896-6273(23)00170-8. doi: 10.1016/j.neuron.2023.03.002. Epub ahead of print. PMID: 37001524.
編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）
校審：Simon（brainnews編輯部）
