人類的大腦中密布神經連接形成網路，資訊從感覺器官輸入，在腦內傳遞和處理，最終產生記憶、情緒和行為。理解大腦就需要掌握「大腦交通圖」，這就好像外出時必須有地圖導航一樣。浙江大學求是高等研究院系統神經與認知科學研究所王菁教授團隊，日前在《科學‧進展》雜誌上發表了一項腦網路研究方法的最新突破。
以前用於繪製腦連接的解剖學方法，通常是在大腦的幾個起始位置注射染劑，需要幾周的時間等待染料運輸並給神經連接「上色」，然後犧牲動物製作腦片，最後進行非常耗時的圖像重建和分析。即便這樣，在一個動物中最多只能研究幾個注射位點。
王菁開發INS-fMRI技術
浙江大學求是高等研究院系統神經與認知科學研究所王菁教授團隊的最新人類大腦網路研究方法，就是將紅外光這一刺激方法與功能核磁共振作結合，開發出紅外光神經刺激功能核磁共振整合技術（INS-fMRI），並首次在活體腦中獲得次毫米級的腦連接組，使研究者能更快速、更系統、更清晰地看清「大腦交通圖」，瞭解資訊傳遞。
論文第一作者徐國華說，這就好像研究者不僅能知道一個快遞從杭州市浙江大學某實驗樓出發到北京市，還能知道它到的是哪個轄區，哪條街道，甚至哪幢樓的哪一層。
王菁教授團隊發明的新技術結合了鐳射刺激和核磁共振功能成像，快速地以三維形式呈現，在一兩個小時的掃描中即可獲得腦功能連接的初步結果，極大地方便了研究全腦尺度各腦區的回應程度，可在一天實驗中快速進行連接組的研究。
成像快速 方便活體研究
王菁教授說，「INS-fMRI」技術的好處不只是快速，還在於方便活體研究，大大減少使用動物的數量，並且可以對同一動物進行多次、持續的跟蹤研究，這對於研究大腦發育等一些特定問題有重要意義。
紅外光脈衝被0.2毫米直徑的光纖照射到目標腦區，引起該腦區及相連腦區的神經回應，也會引起相應的血氧變化。徐國華解釋說，這種血氧信號能夠被核磁共振功能成像捕獲，連接強度可以經由血氧水準，量化為回應的幅度和相關性。
早年，王菁教授受到人工耳蝸研究中啟用鐳射代替電流啟動神經元的啟發，開始了這方面研究，成為最早將紅外光刺激引入到大腦研究中的科學家。這一轉變的意義在於紅外光脈衝將能量傳遞到極小的空間，進而實現精準刺激。
全腦功能連接研究 添利器
在王菁教授團隊的最新腦網路研究方法中，當使用超高場核磁共振成像時，這些回應位置可以在亞毫米級解析度上呈現。這就為研究各個皮層功能柱以及皮層各個分層的神經活動提供了基礎。
所謂功能柱，是大腦裡面的個資訊處理單元，大小只有0.2到0.3毫米。靈長類動物的大腦均由這些功能柱整齊排布而成；每個功能柱恰好又對應特異的認知功能，互相之間連接成網路。
對於包括人類在內的靈長類而言，繪製介於宏觀與微觀之間尺度的腦連接組尤為重要。但是目前科研人員只知道功能柱是發揮功能的單元，卻不清楚它們之間具體如何連接。
新方法可以被用於系統性地逐個刺激皮層功能柱，進而全面地描繪靈長類亞毫米水準連接組。王菁教授說，這項新技術將為繪製高解析度功能柱的全腦網路圖奠定基礎，為大規模全腦功能連接研究開啟大門，透過釐清各個功能柱之間的連接，將可幫助研究者理解靈長類大腦的工作原理以及腦疾病，並促進神經科學、心理學、醫學和人工智慧等領域的發展。
（記者／孫曜樟）