新型光学和fMRI平台可识别控制大规模大脑网络的大脑区域

当我们做白日梦或重温记忆时，我们大脑中的一大群区域会“亮起来”，或者变得更加活跃。它被称为默认模式网络(DMN)，因为当大脑不关注外部世界时它会更加活跃。

许多脑部疾病，包括阿尔茨海默氏症、注意力缺陷/多动障碍和情绪障碍，都与 DMN 问题有关。然而，DMN 的神经生理学基础尚不清楚。

神经成像技术，如功能性磁共振成像 (fMRI)，无法直接测量神经元活动。为解决这一知识缺口，由神经病学系教授兼副主任、生物医学研究影像中心副主任Ian Shih 博士领导的研究团队创建了一个能够光学记录局部神经元活动的新型实验平台在啮齿动物的全脑 fMRI 期间。

“我们希望这项工作将为未来旨在控制大规模大脑网络的转化研究铺平道路，”Shih 说。“这可能有助于为许多神经和神经精神疾病设计基于网络的治疗方案。”

这项发表在《科学进展》杂志上的研究检查了与 DMN 相关的大脑区域的动态活动，并使用各种计算方法对其进行了分析。

DMN 是我们大脑的大规模大脑网络之一。当我们第一次了解大脑时，我们被告知大脑的每个部分都有不同的功能。但现实情况是，许多大脑区域在行为和认知过程中一起激活和停用，并形成大规模的大脑网络，很像一个团队。

神经科学家对这些大规模网络越来越感兴趣，因为他们了解到某些认知任务依赖于“功能连接”的大脑区域。当一个人清醒和休息时，比如当他们做白日梦、找回记忆或展望未来时，DMN 是活跃的。

然而，获得理解人类受试者动态 DMN 活动所需的神经元数据具有挑战性，因此 Shih 和团队转向动物模型来研究网络，其中已经确定了假定的 DMN 相关大脑区域。

“我们使用了一种啮齿动物模型，其中基因编码的钙传感器在神经元中表达，”第一作者 Tzu-Hao Harry Chao 博士说，他在 Shih 实验室建立并验证了这个实验平台。“这使我们能够在不干扰 fMRI 信号测量的情况下，通过光纤检测荧光变化来记录多个 DMN 相关大脑区域的神经元活动。”

光纤光度法使用光纤传输特定波长的光，以激发对该波长作出响应的荧光蛋白，并记录与活动相关的光发射。通过这个过程，科学家们可以直接测量大脑特定位置内特定细胞群或神经化学物质的活动。

使用这个新颖的实验平台，Chao 及其同事证明大脑的一个区域(前岛叶皮层)的激活与抑制或“关闭”默认模式网络有关。

在人脑中，岛叶皮层位于皮质中，被额叶、顶叶和颞叶“绝缘”。脑岛负责大脑中的几个重要功能，包括处理我们的五种感官、控制手眼协调和自我意识。脑岛还在社交和成瘾相关行为中发挥着关键作用。

“这是重要的神经元证据，强调了前岛叶皮层在控制 DMN 活动中的作用，”Shih 解释说。

研究团队与另一位资深作者、斯坦福大学精神病学与行为科学系教授 Vinod Menon 博士合作，进一步使用先进的计算方法来识别这些情况下的大脑状态和信息流。

该团队还发现啮齿动物皮质的前边缘区域与 DMN 和前岛叶皮质交替同步，这表明啮齿动物大脑中的前边缘皮质也可能在显着网络中发挥作用 - 另一个重要的大规模大脑网络注意力、感官处理和目标导向行为。