混合多模態(tài)磁共振同步成像解析神經(jīng)血管耦合機(jī)制新方法

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年發(fā)表在《Light: Science & Applications》上，其中介紹的混合多路熒光和磁共振成像（HyFMRI）技術(shù)，正是針對(duì)這一挑戰(zhàn)的革新性解決方案。該技術(shù)通過(guò)光纖成像與MRI的深度集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號(hào)和BOLD血氧水平依賴信號(hào)的并發(fā)采集，標(biāo)志著多模態(tài)神經(jīng)成像技術(shù)邁入了能夠直接關(guān)聯(lián)微觀細(xì)胞活動(dòng)與宏觀腦功能的新階段，對(duì)揭示腦功能基本原理和神經(jīng)系統(tǒng)疾病機(jī)制具有深遠(yuǎn)的前瞻意義。

重要發(fā)現(xiàn)
01HyFMRI的核心技術(shù)機(jī)制
HyFMRI平臺(tái)的獨(dú)特之處在于其精巧的多模態(tài)兼容性設(shè)計(jì)和光學(xué)成像鏈路的創(chuàng)新。

光纖傳像與電磁屏蔽機(jī)制：HyFMRI的核心光學(xué)部件是一個(gè)定制的MRI兼容纖維鏡。該纖維鏡的成像束由數(shù)萬(wàn)根光纖組成，負(fù)責(zé)將大腦皮層發(fā)出的熒光信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)離MRI磁體的相機(jī)。照明束則由多根獨(dú)立光纖組成，用于將激發(fā)激光傳導(dǎo)至樣本。這種全光纖設(shè)計(jì)使得敏感的電子設(shè)備（激光器、相機(jī)）可以放置在MRI掃描室之外，從根本上避免了它們與MRI掃描儀射頻場(chǎng)和梯度磁場(chǎng)的相互干擾，確保了光學(xué)和MRI信號(hào)采集的同步進(jìn)行且互不影響質(zhì)量。

多路熒光分離與探測(cè)機(jī)制：為了實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)的同步記錄，系統(tǒng)采用488納米和561納米兩種波長(zhǎng)的激光分別激發(fā)遺傳編碼鈣指示劑GCaMP（標(biāo)記星形膠質(zhì)細(xì)胞）和RCaMP（標(biāo)記神經(jīng)元）。收集到的熒光信號(hào)通過(guò)二向色鏡進(jìn)行光譜分離，隨后由兩個(gè)獨(dú)立的相機(jī)并行探測(cè)。這種光學(xué)設(shè)計(jì)避免了信號(hào)串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)了雙通道熒光的同時(shí)、高幀率（40 Hz）成像。

時(shí)空同步與數(shù)據(jù)融合機(jī)制：平臺(tái)通過(guò)外部觸發(fā)設(shè)備統(tǒng)一控制電刺激范式、光學(xué)成像和fMRI序列的啟動(dòng)，確保所有模態(tài)的數(shù)據(jù)在時(shí)間上精確對(duì)齊。在空間配準(zhǔn)上，利用熒光圖像和磁共振血管成像中共同的血管輪廓和腦結(jié)構(gòu)特征作為標(biāo)志，通過(guò)一系列圖像處理步驟，最終將光學(xué)信號(hào)映射到標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜空間，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞特異性熒光信號(hào)與全腦BOLD激活圖的精確空間關(guān)聯(lián)。

挑戰(zhàn)與展望
盡管HyFMRI技術(shù)展現(xiàn)了巨大潛力，但其邁向更廣泛應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)前基于寬場(chǎng)熒光成像的技術(shù)本質(zhì)上是二維的，主要捕獲大腦表層皮層的活動(dòng)信息，對(duì)深部腦區(qū)的探測(cè)能力有限；同時(shí)，生物組織對(duì)光的強(qiáng)烈散射也限制了其有效空間分辨率。其次，平臺(tái)的復(fù)雜性較高，涉及病毒轉(zhuǎn)染、多模態(tài)設(shè)備集成和同步、以及復(fù)雜的多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與分析流程，對(duì)操作者和數(shù)據(jù)分析者都提出了較高要求。最后，將光遺傳學(xué)刺激整合進(jìn)HyFMRI平臺(tái)，有望實(shí)現(xiàn)從“相關(guān)性研究”到“因果性研究”的飛躍，精準(zhǔn)解析特定神經(jīng)環(huán)路功能。

展望未來(lái)，技術(shù)的發(fā)展有幾個(gè)明確的方向：一是通過(guò)結(jié)合光場(chǎng)成像等計(jì)算光學(xué)方法，或與具有深層穿透能力的成像模態(tài)（如光聲斷層成像）進(jìn)一步融合，來(lái)獲取三維神經(jīng)活動(dòng)信息；二是開(kāi)發(fā)更高效、光譜更遠(yuǎn)（如近紅外二區(qū)）的遺傳編碼鈣指示劑，以減少散射、增強(qiáng)信噪比并探測(cè)更深組織；三是簡(jiǎn)化系統(tǒng)操作和數(shù)據(jù)分析流程，提升其易用性和可重復(fù)性；總之，HyFMRI為代表的多模態(tài)融合成像技術(shù)，正引領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)能夠無(wú)縫銜接微觀細(xì)胞事件與宏觀腦功能的新時(shí)代，必將極大地推動(dòng)對(duì)大腦工作原理和神經(jīng)系統(tǒng)疾病機(jī)制的深刻理解。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)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.