IBS研究团队开发高速成像技术
韩国国内研究团队开发出一种像放映电影一样向大脑投射“投影仪光束”，从而绘制大脑连接地图的高速扫描技术。预计可用于阿尔茨海默病等退行性脑疾病以及药物成瘾治疗技术的开发。
基础科学研究院（IBS）31日表示，由脑科学成像研究团团长 Kim Seonggi 带领的研究团队，利用投影仪将光遗传学刺激图案化，自由调控活体小鼠大脑皮层活动，并通过功能性磁共振成像（fMRI）扫描整个大脑区域，成功开发出制作大脑连接地图的技术。本研究由首尔大学生命科学系教授 Choi Myeonghwan 研究团队共同参与。
大脑功能由大脑各个区域之间的相互作用所决定。因此，理解各个脑区之间的连接性（Connectivity）是脑功能研究的起点。光遗传学（Optogenetics）字面意义上是将“光（Opto）”与“遗传学（Genetics）”结合。通过遗传学方法在特定细胞中表达能够感知光的蛋白质，并利用光来控制细胞的技术。该技术通过调控特定区域脑细胞的活动，被广泛用于研究单一脑区、整体脑回路与行为之间的因果关系。功能性磁共振成像（fMRI）能够扫描整个大脑的活动，从而确认由光遗传学诱发的特定脑区活动所引起的全脑变化。
迄今为止，光遗传学 fMRI 一般采用侵入性手术，在大脑目标区域插入光纤，并通过光纤传递光进行刺激。然而，这种方式可能会对大脑造成意料之外的损伤，而且在一只实验动物体内无法插入过多光纤，存在明显局限。因此，如要研究众多脑区，就不可避免地需要大量实验动物。与此同时，为研究脑区间连接性的差异，还必须控制不同实验个体之间的差异，难度很大。
研究团队设计出一种不再插入传统光纤，而是直接向小鼠大脑皮层投射光线的方法。为解决光线难以穿透小鼠颅骨的问题，研究人员使用牙科手术钻将颅骨打磨变薄，并施用药物处理，使大脑可以被直接观察，从而制备出“薄颅骨颅窗”（Thinned-skull Cranial window）。随后，利用装配有高功率光遗传学刺激激光的投影仪，直接向整个大脑皮层投射光线，实现高效的光遗传学刺激。
通过投影仪进行的光刺激，并非以传统的单一光点形式进行，而是像在大脑表面“放电影”一样投射光线。也就是说，可以在大脑所需的区域自由生成所需的光图案。由此，一次实验就能不局限于一个固定区域，而是可在多个区域自由施加光刺激。
研究团队利用这项技术，在一只小鼠实验个体上，依次刺激了大脑皮层整体内的多个不同脑区。随后，通过 fMRI 扫描整个大脑所获得的大量脑活动反应数据，成功绘制出反映脑区间相互作用因果关系的“有效连接性”（Effective connectivity）地图。
研究人员分别使用动物研究中广泛应用的两种麻醉剂——异氟烷（Isoflurane）和氯胺酮-甲苯噻嗪（Ketamine-Xylazine）对小鼠进行麻醉，并在不同麻醉条件下，对小鼠大脑的有效连接性进行比较分析。结果发现，异氟烷会选择性削弱特定大脑皮层区域与中脑区域之间的连接性。这表明，采用图案化光遗传学刺激的 fMRI，能够有效测量由特定脑状态所诱导的有效连接性变化。
本研究提出了一种提取与特定脑状态相关的大脑回路的新方法，预计将在阐明因脑疾病及药物等导致的大脑功能下降机制方面发挥重要作用。
Kim 团长表示：“这项技术是在活体动物上，从多个大脑皮层区域到整个大脑进行功能性回路映射，并测量随大脑状态变化而产生变化的创新技术。”他解释称：“现在可以直接比较整个大脑的有效连接性与结构性连接性，从而对大脑结构和功能开展更为深入的研究。”他还表示：“今后有望将该技术用于研究因药物、疾病或生理学原因而发生改变的大脑功能与特定脑回路之间的关联，从而有助于阐明脑疾病和药物成瘾的神经生理学机制，并推动相关治疗技术的开发。”
本次研究结果已于当日在线发表在脑科学领域国际学术期刊《Neuron》上。
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