长期以来，人们一直需要非侵入性神经成像方法来检测高时间分辨率和高空间分辨率的神经元活动。磁共振功能成像（fMRI）使用血氧水平依赖（BOLD）效应可以提供毫米级的空间分辨率。
由于BOLD信号和神经元活动（如放电）之间没有直接对应关系，BOLD- fMRI仅提供了有关神经元活动的间接信息，从本质上限制了空间和时间精度。而脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）在毫秒范围内提供良好的时间分辨率，但空间信息仅限于厘米级。
近日，韩国成均馆大学生物医学工程系Jang-Yeon Park团队和韩国大学Jeehyun Kwag团队合作在Science发表研究，提出了一种用于功能性MRI的神经元活动直接成像（简称为DIANA）的方法，其时间分辨率提高到神经元活动的毫秒级，同时保留了MRI高空间分辨率的原始优势。
毫秒级时间分辨率下
神经元活动的MRI成像
研究人员将麻醉小鼠置于9.4-T扫描仪内并用电刺激左侧触须，对初级躯体感觉皮质（S1BF）右侧桶状区的单个1 mm冠状脑切片进行成像[Fig.1B]。刺激开始后，DIANA信号峰值出现的潜伏期为25.00±1.58 ms，表明2D快速线性扫描可以通过在毫秒范围内实现高时间分辨率[Fig.1D]。
而后，通过32通道硅探针记录局部场电位（LFP）和单个神经元放电活动，发现响应触须电刺激的单个神经元的峰值放电率潜伏期与DIANA反应潜伏期相似[Fig.1K]。
Figure 1 具有高时空分辨率的神经元活动的直接成像神经元活动传播的时空成像
体感刺激诱发的尖峰放电通过丘脑传播到S1BF，研究人员发现在电刺激后，常规BOLD-fMRI显示丘脑以及对侧和同侧的S1BF同时激活[Fig.2A,B]。而DIANA却显示出顺序为丘脑、对侧S1BF和同侧S1BF的先后反应[Fig.2C-E]。
Figure 2 高时空分辨率DIANA捕捉丘脑皮质的放电传播光遗传调控DIANA
为了更加直接地验证使用2D快速线性扫描的DIANA能够在体内捕获神经元放电活动，研究人员利用光遗传学激活S1BF中的兴奋性神经元来测量DIANA反应，每5ms采集50个图像的时间序列[Fig.3A,C]。结果发现，在光刺激开始后，丘脑中放电响应潜伏期出现了DIANA信号的显著改变[Fig.3D,E]。
Figure 3 光遗传学DIANA实验：DIANA反应直接检测光刺激诱发的尖峰放电DIANA反应为非BOLD效应
DIANA反应可能涉及血流动力学反应，如BOLD效应。为了将BOLD效应从DIANA反应中分离出来，BOLD-fMRI实验在两种条件下进行：一种是额外氧空气比为1:4（氧：空气条件）的默认条件，另一种是仅使用空气[Fig.4A]。
与氧气：空气条件下相比，仅空气条件下电刺激触须后丘脑和S1BF中的BOLD反应显著降低，这与BOLD激活对氧气供应的依赖性一致[Fig.4B,C]。相比之下，在氧气：空气和仅空气条件下，DIANA反应几乎没有变化[Fig.4D,E]。
Figure 4 使用2D快速线性扫描抑制BOLD的DIANA丘脑皮质微回路神经元活动
传播的高时空DIANA反应
感觉诱发的神经活动如何在多个大脑区域的微电路中传播是感觉神经科学中长期存在的难题之一，本研究则可能解决这一问题。研究人员选择丘脑、S1BF和次级体感皮质(S2)中细分的11个感兴趣区域（ROIs）。结果发现，在丘脑中，DIANA峰值信号和峰值放电率都从VPMv开始，随后是POm和VPMd[Fig.5C,D]。
在S1BF中，DIANA峰值信号和峰值放电率在L4和L5中开始，之后它们传播到L6和L2/3[Fig.5E,F]。在S2中，DIANA峰值信号和尖峰放电率，L4和L6是第一个被激活的层，之后L5和L2/3被激活[Fig.5G,H]，这表明S2和S1BF之间的神经活动传播方式明显不同。
Figure 5 亚层特异性DIANA反应揭示了功能上不同的亚层特异微环路结 论
本研究提出了一种二维快速线性扫描方法DIANA，能够以毫秒精度直接成像神经元活动，同时保持磁共振成像（MRI）的高空间分辨率。这种对神经元活动的高分辨率、直接成像的方法将会提供对大脑功能组织更深入的理解，包括神经网络的时空动力学，开辟大脑科学的新途径。
参考文献
Toi, Phan Tan et al. “In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution.” Science (New York, N.Y.) vol. 378,6616 (2022): 160-168. doi:10.1126/science.abh4340
