重新評估功能性腦影像學的方法 | MIT新聞

新研究揭示腦部影像技術的誤解

麻省理工學院 (MIT) 的麥戈文腦研究所的科學家表示，一種新的磁共振成像 (MRI) 方法並沒有如最初報導的那樣直接檢測神經活動。

這種方法最早在2022年被描述，當時引起了神經科學界的興奮，因為它被認為是一種可能改變遊戲規則的技術。然而，MIT教授艾倫·賈薩諾夫 (Alan Jasanoff) 的實驗室於3月27日在《科學進展》期刊上報導的研究顯示，這種新方法產生的MRI信號主要是由成像過程本身產生的，而不是神經元活動。

賈薩諾夫教授是生物工程、腦與認知科學以及核科學與工程的教授，也是麥戈文研究所的副研究員。他解釋說，能夠無創地觀察腦中神經元的活動一直是神經科學家追求的目標。目前研究人員使用的功能性MRI方法並不實際檢測神經信號，而是利用腦部活動引起的血流變化作為替代。這可以顯示出成像過程中腦部的哪些部分在運作，但無法精確定位神經活動，也太慢無法真正追蹤神經元的快速通信。

因此，當一組科學家在2022年報導一種名為DIANA的MRI新方法時，神經科學家們都非常關注。這些作者聲稱DIANA能夠檢測到與神經元電信號相對應的MRI信號，並且其信號獲取速度遠快於目前的功能性MRI方法。

賈薩諾夫說：“每個人都想要這個。如果我們能夠以毫秒的精確度觀察整個腦部並追蹤其活動，並且知道我們看到的所有信號都與細胞活動有關，那將是太棒了。這可以告訴我們很多關於腦部如何運作以及在疾病中發生了什麼問題。”

賈薩諾夫補充說，從最初的報告中並不清楚DIANA檢測到的腦部變化是什麼，能夠產生如此快速的神經活動讀數。出於好奇，他和他的團隊開始對這種方法進行實驗。“我們想重現它，並想了解它是如何運作的，”他說。

在重現DIANA開發者報告的MRI程序時，博士後研究員瓦萊麗·多安·菲·范 (Valerie Doan Phi Van) 在給一隻老鼠的一隻爪子施加電刺激時對其腦部進行了成像。菲·范說，她很高興看到MRI信號出現在腦部的感覺皮層，正好在神經元預期對爪子感覺作出反應的時候和地方。“我能重現它，”她說。“我能看到信號。”

然而，隨著對系統進行進一步測試，她的興奮感減弱了。為了調查信號的來源，她斷開了用於刺激動物爪子的設備，然後重複成像。再次，信號出現在腦部的感覺處理區域。但這次，該區域的神經元沒有理由被激活。事實上，菲·范發現，當掃描器內的動物被一管水替換時，MRI也產生了相同類型的信號。顯然，DIANA的功能信號並不是來自神經活動。

菲·范追蹤到這些虛假信號的來源是DIANA成像過程中的脈衝程序，這個程序詳細說明了MRI掃描儀用來收集數據的步驟。在DIANA的脈衝程序中嵌入了一個觸發器，用於向掃描器內的動物提供感覺輸入。這使得兩個過程同步，因此刺激在數據獲取的精確時刻發生。這個觸發器似乎導致了DIANA開發者得出表明神經活動的信號。

菲·范修改了脈衝程序，改變了刺激器的觸發方式。使用更新的程序，MRI掃描儀在對同一爪子刺激的反應中未檢測到功能信號。“如果你把這部分代碼去掉，那麼信號也會消失。所以這意味著我們看到的信號是觸發器的產物，”她說。

賈薩諾夫和菲·范還發現了其他研究人員為什麼難以重現原始DIANA報告結果的原因，指出觸發器產生的信號在成像過程中稍有變化就會消失。他們與博士後同事薩賈爾·森 (Sajal Sen) 一起，還發現DIANA開發者提出的可能引起功能性MRI信號的細胞變化與神經活動無關。

賈薩諾夫和菲·范表示，與研究社群分享他們的發現是很重要的，特別是在努力開發新的神經影像技術的過程中。“如果人們想重複這項研究的任何部分或實施任何類似的方法，他們必須避免掉進這些陷阱，”賈薩諾夫說。他補充說，他們欣賞原始研究的作者的雄心：“社群需要願意冒險的科學家來推動這個領域的進步。”