为什么要绘制活体脑功能图谱
我们的大脑中密布神经连接，形成网络。基于大脑网络，信息从感觉器官输入，在脑内传递和处理，最终产生记忆、情绪和行为。如果说脑的结构图就像错综复杂的立体交通网络，它代表了哪些区域，哪几个地方有神经纤维的连接；那么脑的功能图就像实时的交通流量信息，它能揭示我们思考、运动、产生情绪时脑的各个区域的神经元活动的状态。
王菁（Anna Wang Roe）教授及张孝通博士团队在《科学•进展》（Science Advances）以及《神经图像》（Neuroimage）杂志上发表了绘制脑功能网络图谱的新方法。通过整合近红外光神经刺激以及功能性磁共振技术（INS-fMRI），团队首次在活体脑中获得亚毫米级的脑连接组，使我们能更快速、更系统、更清晰地了解信息在脑中的传递过程。
图1. 研究团队
快速的活体脑图像绘制
以往用于绘制脑连接的解剖学方法，通常是在大脑的几个起始位置注射染料，需要几周的时间让染料运输并给神经连接“上色”，然后牺牲动物制作脑片，最后进行非常耗时的图像重建和分析。即便这样，在一个动物中最多只能研究几个注射位点。
此次团队发明的新技术在一两个小时的扫描中即可获得脑功能连接的初步结果，极大地方便了研究全脑尺度各脑区的响应程度，可以在单天实验中快速进行连接组的研究。
INS-fMRI技术的好处不只是快速，还在于方便了活体研究，大大减少使用动物的数量，并且可以对同一动物进行多次、持续的跟踪研究，这对于研究大脑发育等一些特定问题有重要意义。
精准的响应和精细的图谱
当脉冲近红外光被0.2毫米直径的光纤照射到目标脑区，该脑区及相连脑区的神经元会产生响应，进而引起相应的血氧水平变化。这种血氧信号能够被功能性磁共振检测到，并量化为响应的幅度，推算出两个脑区的相关性。高场强的磁共振成像可以在亚毫米级分辨率上呈现这种响应模式。这意味着这张图谱不仅可以看清是哪个脑区（例如哪个城市），更可以看清是哪个皮层功能柱（例如城市中的大厦）。
范例1：全脑尺度的长程连接
在论文中提及了两个应用范例，分别对应研究全脑尺度的长程连接，以及局部范围内的高分辨率短程连接。
首先，团队用近红外光刺激了猫的单侧初级视觉皮层（图中17/18），发现了视觉皮层与丘脑之间的功能连接，这其中包括了同侧丘脑的外侧膝状体和丘脑后结节（LGN/Pul）以及对侧丘脑的丘脑后结节（Pul）以及外侧后核（LP）。同时与其他大脑皮层的连接包括了内侧外上雪氏区(AMLS)、扣带视觉区域（CVA）、前外侧裂区（AEV）。
图2. 用近红外光刺激猫初级视觉皮层后fMRI观测到的响应区域
范例2：局部范围内的高分辨率短程连接
在松鼠猴的初级感觉皮层的手指区域有两种局部连接，一种是由外至内的连接（D1-D5），一种是由前至后的连接（3a-3b-1-2）。当用近红外光刺激区域2时，可以由fMRI观测到前馈（绿色箭头）和反馈通路（蓝色和白色箭头）。
图3. 近红外光刺激松鼠猴初级感觉皮层后fMRI观测到的响应区域
新方法可以被用于系统性地逐个刺激皮层功能柱，从而全面地描绘灵长类亚毫米水平连接组。这项新技术将为绘制高分辨率功能柱的全脑网络图奠定基础，为大规模全脑功能连接研究开启大门。通过厘清各个功能柱之间的连接，将极大地帮助我们理解脑的工作原理以及脑疾病，继而更好地精准调控相关脑结构的功能。
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