功能磁共振和脑电神经成像技术与大脑刺激相结合的研究进展

随着对神经机制问题阐述水平的迅速提高,所应用的神经成像技术、方法及各种工具的复杂程度也在不断提高．一方面是神经成像技术本身的不断发展,另一方面则是大脑直接刺激与神经成像技术同步记录方法的发展．经颅磁刺激-功能磁共振成像同步技术(TMS-fMRI)和经颅磁刺激-脑电技术(TMS-EEG)能为研究大脑网络的功能和有效连通性提供技术手段,该技术在多种认知领域的发展和应用,为神经科学、认知心理学、神经信息学等学科的研究者对人脑的研究开启了多条通道,更加有利于深入地理解人类大脑的工作机制．     

光声结构与功能成像技术研究进展

光声成像技术利用短脉冲激光激发产生光声信号,可重建出组织的光吸收分布图像,它结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高分辨率特性.光声成像技术不仅能够有效的刻画生物组织结构,还能够精确实现无损功能成像,为研究生物组织的形态结构,生理、病理特征,代谢功能等提供了全新手段.本文简要分析了光声信号产生的机理,总结报道了目前实验室几套典型的成像系统及其最新应用进展,指出光声成像作为一种新型的生物医学成像方法,可望引发生物医学影像领域的一次革新.     

神经功能成像及其在重大脑疾病中的应用

根据第101期双清论坛"神经功能成像及其在重大脑疾病中的应用"的报告内容,简述了功能神经成像技术与方法的现状与发展趋势,介绍了近年来基于成像技术的重要脑科学研究成果和临床转化研究面临的挑战,并提出了神经功能成像及其在重大脑疾病应用中的主要研究方向和科学问题的设想.     

编者按: 脑成像与脑网络

揭示脑的奥秘是人类面临的最大挑战之一。神经元是构成神经系统结构与功能的基本单位。神经元与神经元之间通过突触实现信息交互,并构成神经环路或神经网络。神经环路有局部的,也有跨脑区或长程的,甚至全脑尺度的。神经环路则是脑实现神经信息处理的基本单元。若干神经环路构成脑网络。脑网络研究已经成为脑功能与脑疾病研究领域的热点。 在国家自然科学基金委员会和科技部“973计划”等项目的支持下,我国科学家在这一领域已经开展了卓有成效的工作。2011年第393次香山科学会议“脑网络组及其临床应用的前沿科学问题”曾对此进行过比较深入的研讨。为促进对该领域现状及发展的了解,本期汇集了2篇述评和2篇研究论文,作为脑成像与脑网络专题发表,以飨读者。 利用9.4T功能磁共振成像(fMRI)获得轻度麻醉状态下大鼠静息状态及刺激激活的数据,通过互相关分析构建节点之间的相关系数矩阵并计算相应的网络参数,赖永秀等人报道了大鼠感觉运动系统静息态脑网络的研究成果,发现感觉运动系统在静息态时的脑网络具有小世界属性。 扩散磁共振成像(dMRI)的出现为大脑结构与功能研究提供了全新的检测手段,雷皓等报道了小动物高分辨扩散磁共振成像数据分析方法,为小动物脑dMRI研究提供了统一图像模板与完善的计算方法,对于检测神经纤维微观结构的变化,以及临床诊断,将具有极其重要的意义。 神经环路功能变化的实时在体监测是研究脑网络不可或缺的手段,曾绍群等评述了基于声光偏转器的快速无惯性随机扫描双光子显微成像技术的研究进展及发展趋势,指出该技术的进一步发展将为神经活动观测提供一种全新的方法,从而极大地推动脑科学研究的发展。 针对哺乳动物全脑的神经元网络成像,龚辉等从空间分辨率、探测范围、数据配准和成像速度等方面评述了光学显微水平全脑成像方法的研究进展,并讨论所面临的挑战。他们指出,要在全脑尺度获取突起水平分辨率的结构与功能数据,光学成像方法最为成熟。华中科技大学研制的MOST系统,率先获得了一系列高分辨率的完整大脑解剖数据集,该成果将在神经元网络的构建和脑功能与疾病研究中发挥重要作用。 我们期待更多、更好的有关脑成像与脑网络的论文发表,以更广泛和深入地促进我国脑科学研究领域的学术交流。     

两种微体化石三维无损成像技术的对比

近年来,各种X射线三维无损成像技术在古生物学领域的应用越来越广泛。但是,不同的X射线三维无损成像技术针对不同保存类型和尺寸的化石标本在成像效果上各有利弊。本文以埃迪卡拉纪陡山沱组磷酸盐化的动物胚胎化石为研究对象,将目前应用最广的两种X射线三维无损成像方法,即基于实验室X光源的吸收衬度显微断层成像技术和基于同步辐射光源的相位衬度显微断层成像技术进行了对比分析。通过对两种技术的原理、效率、空间分辨率和图像衬度的对比,认为基于同步辐射光源的相位衬度显微断层成像技术是目前对于均一矿化的微体化石最佳的三维无损成像解决方案。     

综述: 用于神经活动观测的随机扫描双光子显微成像

双光子荧光显微镜是神经科学研究中的重要观测仪器,但是现有的商品化仪器受限于较低的成像速度,难以满足脑功能研究中毫秒量级神经信号检测的需要．基于声光偏转器的快速随机扫描双光子显微成像技术,有望在保持信噪比的同时提高观测速度．本文综述了这一研究的最新进展,从飞秒激光经过角色散器件后的时空演化理论、声光偏转器的色散补偿方法、随机扫描成像仪器及仪器应用到神经成像时钙信号的识别方法四个方面分别进行介绍,最后分析了随机扫描双光子显微成像技术的发展趋势．这项技术的系统深入研究将为神经活动观测提供一种全新的方法,推动脑科学研究的发展．     

多方式认知功能成像研究进展

对大脑结构和功能的深入研究要求认知功能成像技术同时具有高时间分辨率和高空间分辨率.多方式认知功能成像通过不同成像技术fMRI/PET和EEG/MEG的结合,能够同时在空间定位和时间过程上研究大脑认知活动的动态过程.多方式认知功能成像已经被成功地应用于选择性注意、视觉通路、随意运动和语义加工等的研究,并揭示了相关大脑活动的空间和时间特征.今后的研究将进一步提高多方式认知功能成像的时空分辨率和准确性,以更深入地探索认知功能的神经机制.     

光学神经成像研究进展

大脑功能的成像检测在认知神经科学领域具有极其重要的意义。现代光子学技术的发展为认知脑成像提供了新的研究手段,在神经系统信息处理机制研究中发挥重要作用。文章介绍了在神经元、神经元网络、特定脑皮层功能构筑以及系统与行为等不同层次开展神经系统信息处理机制研究的各种光学成像技术,包括多光子激发荧光显微成像、内源信号光学成像、激光散斑成像和近红外光学成像等,并评述了这些有特色的光学成像技术在多层次获取和分析神经信息中的研究进展。     

采用GCaMP活体钙成像解析神经环路调控机制的研究策略及意义

大脑中的神经元通过集体行为建立相互连接,构成多种神经环路进而执行不同的功能。神经环路的研究方向即寻找构成各神经环路的神经元细胞,研究这些神经元是如何产生通讯互动以此构成特定的环路及环路本身在中枢神经系统行使的生命活动。众多研究已经证实,在解析生理或病理条件下神经环路调控机制过程中,通过实时监测神经元内重要生物传感器钙离子的变化可精确反映大脑组织内神经元活动。GCaMP活体钙成像方法有助于从单细胞水平揭示生理或病理状态下不同环路的调控机制。本文系统综述了GCaMP活体钙成像作为一种示踪技术在神经环路研究中的应用及进展,为神经环路和神经药理学的研究提供了参考依据。     

fMRI技术在犬科动物认知领域研究的应用

家犬(Canis lupus familiaris)与人类社会生态高度融合,已成为人类解析认知进化理论、进行比较认知研究、开展人类认知功能障碍性疾病研究的一种自然模型动物。功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)是一种非侵入式、安全的能反映生物体大脑神经活动时空分布的神经影像学技术,近年来被应用于家犬行为认知特征神经机制的研究。本文简介了fMRI技术;概述了部分研究者使用视觉、嗅觉、听觉等不同的实验范式对家犬大脑开展fMRI,定位不同实验范式下被激活的大脑功能区,从而揭示家犬认知的神经机制;总结了fMRI技术在犬认知研究中技术和方法上的挑战。以期为国内开展家犬等动物认知研究者提供新的技术方法。     

基于质谱技术的神经肽研究进展

神经肽是一类重要的内源活性物质,在神经系统中发挥重要的作用,并连接大脑和其他神经器官。基于质谱技术的神经肽组学研究旨在对神经肽进行大规模研究,在分子水平上得到重要信息,进一步加深对神经系统调控机制以及神经疾病致病机理的理解。文中综述了利用质谱技术进行神经肽研究的基本策略,包括样品处理、定性定量方法以及质谱成像等研究进展。     

活体动物体内光学成像技术的研究进展

生物发光和荧光成像作为近年来新兴的活体动物体内光学成像技术,以其操作简便及直观性成为研究小动物活体成像的一种理想方法,在生命科学研究中得以不断发展。利用这种成像技术,可以直接实时观察标记的基因及细胞在活体动物体内的活动及反应。利用光学标记的转基因动物模型可以研究疾病的发生发展过程,进行药物研究及筛选等。本文综述了现有活体动物体内光学成像技术的原理、应用领域及发展前景,比较了生物发光与几种荧光技术的不同特点和应用。     

磁共振技术在轻度认知障碍与阿尔茨海默病中的研究进展

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是当今老年人最常见的一种原发性神经退行性疾病。其主要病理学特征表现为神经元的脱失、神经纤维缠结及老年斑形成。轻度认知障碍(mild cognitive impairment,MCI)被认为是AD及其他老年痴呆症的前驱阶段,可进一步转化成AD,且MCI与AD有着相似的病理变化。随着MCI和AD患病数的逐年增加,其给患者家属及社会增添了巨大负担,因此,对MCI和AD作出早期诊断变得尤为重要。然而,MCI和AD早期的临床表现并不突出,且实验室检查也缺乏足够的特异性,当临床医生做出明确诊断时,多数患者已处于AD的中晚期。近年来,随着磁共振技术的不断发展,多种磁共振技术已广泛地应用于MCI和AD的研究中,并为MCI及AD的早期诊断提供了重要的影像学依据。本文分别从结构性磁共振(s MRI)、静息态f MRI、磁共振弥散张量成像(DTI)、磁共振波谱成像(MRS)、磁敏感加权成像(SWI)及MRI分子影像几个方面,阐述多种磁共振技术在MCI和AD研究中的进展。     

人为什么聪明——“悬空”放射状胶质神经干细胞的发现

Arnold R.Kriegstein实验室向来以动态细胞成像(Time-lapse imaging)技术为专长。此前已利用此技术发表数篇颇具影响力的文章,并在2001年与其他实验室同时提供证据表明,一直被认为是放射状胶质细胞(Radial glia)可以产生神经元,并且是在神经发育中的神经干细胞,生成大脑皮层中绝大部分     

超声弹性成像技术在前列腺癌诊断中的应用

超声弹性成像技术是一项新兴的超声成像方法,可通过分析不同组织间机械组织差异区分组织软硬度,早期主要应用于乳腺、甲状腺结节的区分和定性。随着科技的进步和医疗水平的提高,目前弹性成像技术可在二维声像图的基础上,对感兴趣区域进行定性诊断和定量分析,已逐步应用于医学各领域相关研究和临床疾病的鉴别诊断。本文介绍了弹性成像的基本原理和目前弹性成像技术在医学领域中的相关应用,叙述了前列腺癌的发展趋势和目前常用的筛查、诊断方法,详细阐述了弹性成像技术在前列腺癌诊断中的应用方法和现状,分析总结了弹性成像技术在前列腺癌诊断中的应用价值。运用弹性成像技术无创、经济便捷、实时动态、可重复性好等优点,联合前列腺癌相关筛查、诊断检查,可有效帮助早期诊断前列腺癌,减少前列腺穿刺术的针数,提高前列腺癌的检出率。     

成像技术在阿尔茨海默病诊断中的应用

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是最常见的神经退行性疾病,目前临床尚缺乏有效的治疗方法。由于AD的病理变化发生在临床症状之前几十年,早期诊断和干预有助于缓解疾病进展。目前,研究正在从基于症状的临床诊断转向基于病理标志物的生物学诊断。本文综述了AD最常用的早期诊断成像技术,介绍其成像原理、局限性和最新研究进展,并展望了AD早期诊断未来可能的发展方向。预测多模态成像和诊疗一体化可能是未来AD研究和临床实践的最佳方案。     

神经肌肉接头研究世纪回顾

神经肌肉接头作为突触解剖、生理和发育的模型已被研究了一个多世纪。成像技术提供了诸多关于神经肌肉接头的信息,其中一些技术是专为观察该突触的结构和功能而发展起来的。本文回顾了神经肌肉接头研究中几个重要方面的发展史,包括其结构、N型乙酰胆碱受体的分布、突触小泡释放,以及神经肌肉接头的发育。     

激光散斑成像技术在脑科学研究中的应用

激光散斑衬比成像(laser speckle contrast imaging,LSCI)是一种非扫描式实时血流动力学成像技术,具有高分辨率、快速实时成像、非接触、仪器结构较简单等优势.尽管由于深度分辨率的限制,LSCI主要用于浅表组织测量,但其在神经疾病、皮肤病等领域的基础研究及临床应用中展现出良好的应用潜力.本文简要介绍了激光散斑衬比成像技术的基本原理与技术进展,综述其在脑卒中、吸毒成瘾、阿尔茨海默病等脑疾病及其他脑科学应用中的研究进展,并展望其发展前景.     

三维X射线显微技术与小型-微体化石高分辨率无损成像*

在古生物学研究中,以X射线断层成像(Computed Tomography)为代表的三维无损成像技术可以在不破坏化石标本的前提下,同时获得标本外观形态和内部结构的信息,相比传统的可见光成像手段有着明显优势。为推动化石三维无损成像技术在国内古生物学领域的发展,本文系统介绍一种新型显微CT技术——三维X射线显微术(Three-Dimensional X-ray Microscopy)。与基于几何放大和吸收衬度成像的传统显微CT技术相比,该技术有若干优势:(1)将同步辐射X射线显微断层成像的光学成像系统引入基于实验室X射线源的显微CT系统中,在几何放大的基础上增加了光学放大,优化了传统显微CT的系统架构,弥补了传统显微CT单纯依靠几何放大的不足,提高了空间分辨率;(2)采用可移动的X射线源和优化的光学成像系统,实现了低能X射线相位衬度成像,可以三维重构传统显微CT技术无法有效探测的、低吸收衬度的化石标本;(3)基于新的成像架构和成像算法,实现了厘米-分米级较大标本内部"感兴趣区域"(Region of Interest)精确导航和局部高分辨率(微米-亚微米空间分辨)成像;(4)可以实现小型扁平标本(宽厚比4,宽10cm)高效率、高分辨率成像和长条形微体标本长轴方向自动分段无缝拼接的微米至亚微米级高分辨率重建,弥补了传统工业显微CT针对小型扁平标本和长条形微体标本高分辨成像效果不佳的缺陷。这些优势使得基于实验室X射线源的显微CT成像技术可以获得接近同步辐射X射线源的成像质量,从而有效推动化石生物学研究。     

声电成像在生物电流检测中的应用

心电、头皮脑电、表面肌电等传统无创生物电检测方法可为相关疾病诊断提供电学依据。由于生物电信号是机体细胞群共同放电的混叠集合结果,上述生物电检测方法空间分辨率相对有限。近些年兴起的声电成像利用无创聚焦超声空间编码生物电流,靶向获得精确聚焦位置的电信号,可实现毫米级空间分辨率、毫秒级时间分辨率的无创生物电信号检测,有望成为精准检测生命体深层电活动的新型成像技术。本文首先简述声电成像原理与声电信号特征,进而从声电耦合机理、声电成像方法、声电脑成像及声电心脏成像等方面详细介绍声电成像的典型研究,最后围绕声电成像关键技术环节所面临的挑战,对未来研究方向进行探讨,以期为建立完善的声电成像技术体系和实现其临床转化提供依据与启发。