混合多模态磁共振同步成像解析神经血管耦合机制新方法
2025-10-28 来源:本站 点击次数:62由 Zhenyue Chen, Yi Chen, Imak Gezginer, Qingxiang Ding, Hikari A. I. Yoshihara, Xosé Luis Dean-Ben, Ruiqing Ni 和 Daniel Razansky 共同完成的研究成果“Non-invasive large-scale imaging of concurrent neuronal, astrocytic, and hemodynamic activity with hybrid multiplexed fluorescence and magnetic resonance imaging (HyFMRI)”，于2025年发表在《Light: Science & Applications》上，其中介绍的混合多路荧光和磁共振成像（HyFMRI）技术，正是针对这一挑战的革新性解决方案。该技术通过光纤成像与MRI的深度集成，实现了对神经元、星形胶质细胞钙信号和BOLD血氧水平依赖信号的并发采集，标志着多模态神经成像技术迈入了能够直接关联微观细胞活动与宏观脑功能的新阶段，对揭示脑功能基本原理和神经系统疾病机制具有深远的前瞻意义。
重要发现
01HyFMRI的核心技术机制
HyFMRI平台的独特之处在于其精巧的多模态兼容性设计和光学成像链路的创新。
光纤传像与电磁屏蔽机制：HyFMRI的核心光学部件是一个定制的MRI兼容纤维镜。该纤维镜的成像束由数万根光纤组成，负责将大脑皮层发出的荧光信号传输至远离MRI磁体的相机。照明束则由多根独立光纤组成，用于将激发激光传导至样本。这种全光纤设计使得敏感的电子设备（激光器、相机）可以放置在MRI扫描室之外，从根本上避免了它们与MRI扫描仪射频场和梯度磁场的相互干扰，确保了光学和MRI信号采集的同步进行且互不影响质量。
多路荧光分离与探测机制：为了实现神经元和星形胶质细胞活动的同步记录，系统采用488纳米和561纳米两种波长的激光分别激发遗传编码钙指示剂GCaMP（标记星形胶质细胞）和RCaMP（标记神经元）。收集到的荧光信号通过二向色镜进行光谱分离，随后由两个独立的相机并行探测。这种光学设计避免了信号串扰，实现了双通道荧光的同时、高帧率（40 Hz）成像。
时空同步与数据融合机制：平台通过外部触发设备统一控制电刺激范式、光学成像和fMRI序列的启动，确保所有模态的数据在时间上精确对齐。在空间配准上，利用荧光图像和磁共振血管成像中共同的血管轮廓和脑结构特征作为标志，通过一系列图像处理步骤，最终将光学信号映射到标准脑图谱空间，实现了细胞特异性荧光信号与全脑BOLD激活图的精确空间关联。
02成功实现多模态信号同步捕获本研究最核心的贡献在于实验验证了HyFMRI平台能够在前爪电刺激下，从小鼠大脑对侧初级体感皮层（S1FL）区域，同步捕获到三种不同类型的活动信号：来自神经元（RCaMP信号）、星形胶质细胞（GCaMP信号）的钙活动以及全脑范围的BOLD-fMRI信号。激活图明确显示，三种信号的激活区域在空间上高度重合，且仅限于刺激对侧半球，证明了平台记录的特异性和可靠性。
03揭示细胞特异性活动动力学规律
对信号时间过程的分析揭示了清晰的激活动力学层次。神经元活动表现出最快的动力学特性，其达到峰值的时间最短，激活幅度也最高。星形胶质细胞活动的达峰时间和幅度次之。最慢的是BOLD血流动力学响应。这种精确量化的时序关系（神经元领先于星形胶质细胞，二者均领先于BOLD）为理解神经血管耦合的级联事件提供了关键的时间窗证据。
04为神经血管耦合机制提供直接证据
相关性分析显示，神经元活动与星形胶质细胞活动的时间曲线具有极高的线性相关性。这一发现为“神经元-星形胶质细胞-血管”通路在神经血管耦合中的核心作用提供了强有力的直接实验证据。相比之下，直接将神经元活动通过经典血流动力学响应函数卷积后预测的BOLD信号，与实际测量的BOLD信号之间的相关性较低，且存在延迟，这表明从神经活动到血流响应的转换是一个复杂的、非线性的过程，其中星形胶质细胞扮演着不可或缺的中间角色。
挑战与展望
尽管HyFMRI技术展现了巨大潜力，但其迈向更广泛应用和临床转化仍面临诸多挑战。首先，当前基于宽场荧光成像的技术本质上是二维的，主要捕获大脑表层皮层的活动信息，对深部脑区的探测能力有限；同时，生物组织对光的强烈散射也限制了其有效空间分辨率。其次，平台的复杂性较高，涉及病毒转染、多模态设备集成和同步、以及复杂的多源数据配准与分析流程，对操作者和数据分析者都提出了较高要求。最后，将光遗传学刺激整合进HyFMRI平台，有望实现从“相关性研究”到“因果性研究”的飞跃，精准解析特定神经环路功能。
展望未来，技术的发展有几个明确的方向：一是通过结合光场成像等计算光学方法，或与具有深层穿透能力的成像模态（如光声断层成像）进一步融合，来获取三维神经活动信息；二是开发更高效、光谱更远（如近红外二区）的遗传编码钙指示剂，以减少散射、增强信噪比并探测更深组织；三是简化系统操作和数据分析流程，提升其易用性和可重复性；总之，HyFMRI为代表的多模态融合成像技术，正引领我们进入一个能够无缝衔接微观细胞事件与宏观脑功能的新时代，必将极大地推动对大脑工作原理和神经系统疾病机制的深刻理解。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Chen Z, Chen Y, Gezginer I, Ding Q, Yoshihara HAI, Deán-Ben XL, Ni R, Razansky D. Non-invasive large-scale imaging of concurrent neuronal, astrocytic, and hemodynamic activity with hybrid multiplexed fluorescence and magnetic resonance imaging (HyFMRI). Light Sci Appl. 2025 Sep 25;14(1):341.
DOI:10.1038/s41377-025-02003-9.