新型光学和功能磁共振成像平台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)，因为当大脑不专注于外部世界时，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 的问题有关。然而，DMN的神经生理学基础尚不清楚。

神经成像技术，如功能磁共振成像(fMRI)，不能直接测量神经元活动。为了解决这一知识差距，由北卡罗来纳大学医学院神经病学系教授兼副主席兼生物医学研究成像中心副主任Ian Shih博士领导的研究小组创建了一个新颖的实验平台，可以在啮齿动物全脑功能磁共振成像期间光学记录局部神经元活动。

“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。

该研究发表在《科学进展》杂志上，研究了DMN相关大脑区域的动态活动，并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，我们被教导大脑的每个部分都有独特的功能。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，就像一个团队一样。

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、检索记忆或设想未来时，DMN 是活跃的。

然而，获得了解人类受试者动态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该网络，其中已经确定了与DMN相关的假定大脑区域。

“我们使用了一个啮齿动物模型，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，而不会干扰fMRI信号的测量。

光纤光度法使用光纤提供特定波长的光，以激发对该波长响应的荧光蛋白并记录与活性相关的光发射。通过这个过程，科学家可以直接测量大脑指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，岛叶皮层位于皮层中，并被额叶、顶叶和颞叶“绝缘”。岛叶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。岛叶在社交和成瘾相关行为中也起着关键作用。

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

与斯坦福大学精神病学与行为科学系的另一位资深作者和教授Vinod Menon博士合作，研究小组进一步使用先进的计算方法来识别这些条件下的大脑状态和信息流。

研究小组还发现，啮齿动物皮层的前边缘区域与DMN和前岛叶皮层交替同步，这表明啮齿动物大脑中的前边缘皮层也可能在显著网络中发挥作用 - 另一个对注意力，感觉处理和目标导向行为很重要的大规模大脑网络。