新型传感器助力MRI监测大脑深处的神经活动

麻省理工学院的神经科学家们开发了一种新的磁共振成像( MRI )传感器，这种传感器通过跟踪钙离子，可以监测大脑深处的神经活动。这一传感器的实验将会为科学家们提供观测大脑更有力的手段，将会促进神经科学、计算机科学的深入发展。

其他类型的MRI通过检测血流的变化，获得神经元活动的信息，而血流变化只是提供了神经活动的间接信号。 而钙离子直接与神经元活动有关，这种新型感应器可以让研究人员将特定的大脑功能与其神经元活动模式联系起来，并确定特定任务期间不同大脑区域之间的通信距离。

“钙离子的浓度与神经系统中的信号事件密切相关，”麻省理工学院生物工程、脑与认知科学、核科学与工程系的教授Alan Jasanoff说，他也是麻省理工学院McGovern大脑研究所的准成员，也是该项研究中的资深研究人员。“我们设计了一种具有分子结构的探针，可以检测到与神经活动相关的细胞外的钙离子的相对细微的变化。"

在大鼠实验中，研究人员表示，他们的钙传感器能够准确地检测到由化学或电刺激引起的神经活动的变化，这种变化位于大脑中被称为纹状体的部位的深处。

麻省理工学院的研究人员Satoshi Okada和Benjamin Bartelle是这项研究的主要作者，这项研究发表在4月30日的《自然纳米技术》杂志上。其他作者包括Picower学习和记忆研究所的成员，大脑和认知科学教授Mriganka Sur，研究助理李楠，博士后Vincent Breton-Provencher，前博士后Elisenda Rodriguez，Wellesley学院本科生李继英以及高中生James Melican。

追踪钙离子

MRI是神经科学研究中的支柱工具，它可以让科学家识别特定任务中大脑的活跃部分。最常用的MRI类型，称为功能性MRI，通过测量神经活动的间接标志——脑血流量，来评测神经活动情况。Jasanoff和他的同事们想要设计一种方法，可以更加特异性且高分辨率的绘制神经活动模式，而这在基于识别血流变化的MRI技术中是无法实现的。

“能够绘制深层组织中大脑活动图的方法依赖于血液流动的变化，而血流会在许多不同的生理路径中与神经活动相互影响，”Jasanoff说，“因此，你最终看到的信号往往很难归因于某个特定的因素。“

钙离子流可以与神经元活动直接联系起来。当神经元发出电脉冲时，钙离子就会涌入细胞。大约十年以来，神经科学家一直在用荧光分子标记大脑中的钙，并用传统显微镜对其进行成像。这种技术可以精确地跟踪神经元活动，但它的使用仅局限于大脑的很小一部分区域内。

麻省理工学院的研究小组开始寻找一种磁共振的方法对钙离子进行成像，这种方法可以分析更大的组织体积。为了做到这一点，他们设计了一种新的传感器，可以对细胞外钙浓度的细微变化作出反应，并且其反应可以被MRI检测到。

这种新型传感器由两种粒子组成，当有钙离子存在时，这两种粒子可以聚集集在一起。这两种粒子中，一个是天然存在的钙结合蛋白synaptotagmin，另一个是包裹在脂肪中的磁性氧化铁纳米颗粒，它可以结合synaptotagmin，但只有当钙离子存在时二者才能够结合。

钙的存在诱导这些颗粒聚集在一起，使它们在MRI图像中显得更暗。神经元活性低时，神经元外钙离子含量高；当钙浓度下降时，意味着该区域的神经元要发出电脉冲。

检测大脑活动

为了测试这些传感器，研究人员将它们注射到大鼠纹状体中（纹状体是进行计划运动和学习新行为的区域）。然后他们给老鼠施加可以诱导短时间神经活动的化学刺激，观察发现，钙离子传感器记录了这一活动。

他们还发现，这种传感器可以捕捉大脑部分区域中与奖赏相关的电刺激信号引发的活动。

“这种方法为研究大脑功能提供了一种新的方式。” Max Planck生物控制论研究所的一个研究小组组长辛宇说。他并未参与该项研究。

“尽管我们在过去的半个世纪里积累了足够的细胞内钙信号的知识，但很少有人确切研究细胞外钙的动态变化对大脑功能的贡献，或者胞外钙信号是如何指示大脑功能的。” 辛宇说，“当我们破译像大脑这样复杂且自适应的系统时，每一条信息都很重要。"

目前的这种传感器在最初的大脑刺激后几秒钟内就会做出反应，但研究人员正在想法使其响应速度更快。他们还试图改造传感器，使这些颗粒可以扩散到大脑更广泛的区域，并能够通过血脑屏障，这样将能够实现传感器的输送，而无需将它们直接注射到要测试的部位。

有了这种传感器，Jasanoff希望能比现在更精准的绘制出神经活动的模式。他说:“想象一下，你可以测量大脑中不同部位的钙离子活性，并能尝试判断不同类型的感觉刺激通过它们诱导的神经活动的空间形式进行不同的编码。”