Neuron：化学遗传学与fMRI跨界联合！揭示灵长类动物躯体感觉网络的行为双向变化
传统的神经调节方法一般为局灶性神经调控，但其影响不一定局限于操作靶点，还有可能延伸到解剖和/或功能连接的远部脑区。
与之相比，遗传学法干预具有一定的优势，包括靶向解剖和/或细胞型特异性干预改变行为和/或操控局部的神经元活动，目前已应用于非人类灵长类动物。然而，遗传学神经调节是否以及如何影响任务或感觉诱发网络fMRI信号来改变行为还没有被研究。
基于以上问题，日本国家量子和放射科学与技术研究所脑功能影像部的研究者们对此问题进行了研究。
他们检测了fMRI指导的化学遗传学沉默对猕猴的感觉激活的网络操控及其相应的行为作用：首先通过躯体感觉fMRI以及DREADD诱导的抑制性的AAV-hM4Di病毒操控初级躯体感觉皮层的手食指区（somatosensory cortex SID2，手食指区域为D2），再通过化学遗传学特异性的损伤对侧D2的精细抓取行为，可以减弱手D2及其介导的SID2和抓取相关下游网络的感觉诱发的血氧水平依赖的信号（blood-oxygenation-level-dependent，BOLD）。
他们还发现，同样的操作进一步诱发了对远处身体部位表征的去抑制，这导致了行为超敏。总之，这些结果表明，化学遗传学沉默与感觉fMRI同步揭示了猕猴多层面行为损伤背后的网络操作的双向变化。
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1.fMRI定位SID2区
并用化学遗传学抑制SID2对行为的影响
作者刺激猕猴手D2区，通过fMRI测量出的BOLD信号标记出SID2区，再将特异性表达在神经元上的AAV-hM4Di-GFP病毒注射在猕猴的SID2区。
fMRI指导的hM4Di转导入猕猴SID2区
由于完整的躯体感觉对于对侧手抓取行为至关重要，所以作者研究了DREADD诱导的SID2沉默对行为的影响，他们训练两只猕猴执行改进的Brinkman板任务，即将一个带有矩形槽的塑料板放置在猕猴前，猕猴用对侧或同侧手的D1(拇指)和D2(精确抓握)从槽中捡起小食物颗粒。使用手D2测量正确拾取所有小球所需的时间，作为手灵巧度的指标。
结果发现系统给予DREADD激动剂DCZ后，显著延长了对侧手抓取的持续时间，表明了精确抓握行为的恶化。相比之下，DCZ对同侧手的表现没有显著影响。
DREADD诱导的SID2沉默后对行为的影响
2.抑制SID2可导致
感觉触发的BOLD信号的局部衰减
为了评估DREADD诱导的对行为有效的SID2沉默是否以及如何影响相关的fMRI信号，作者接下来在SID2沉默时进行了fMRI检测。
首先，在系统性给予对照溶剂时，猕猴对侧手D2的皮肤触觉刺激可以诱导表达DREADD的SID2区稳健的BOLD活性，而全身DCZ给药组中，同样的感觉刺激下引起的SID2激活在DREADD表达半脑出现很大程度上减弱。
与表达DREADD的半脑相反，在同一扫描过程中，对侧半脑的SID2活性在vehicle和DCZ条件下没有显著差异。这些结果表明，感觉诱发的BOLD信号可以通过抑制SID2区稳定且特异性地减弱。
表达DREADD的SID2中感知触发的BOLD信号的局部衰减
3.同步聚焦SID2沉默和感觉fMRI揭示了灵长类动物躯体感觉网络操作的双向变化
由于DREADD诱导的SI沉默也可能影响下游网络的感觉诱发活动，为了检测这些被SI沉默影响的下游脑区解剖及功能上的关系，作者进行了以下两种不同的连通性分析。
首先，免疫组化分析结果显示，转导的GFP在病毒感染的SID2神经元的轴突末端5区和SII区或其邻近区域的远程沉默位点表达，表明这些区域在同侧半脑接受表达DREADD的SID2的直接投射。
其次，作者以DREADD半球的SID2激活位点作为种子区进行的心理-生理相互作用(psycho-physiological interaction，PPI)分析显示，在对侧手D2刺激过程中，表达DREADD的SID2与在同一半脑的5、7和SII区域或其邻近区域的远程沉默区域有功能连接。
这些结果表明，DREADD诱导的局灶性SI沉默对感觉诱发的BOLD信号的抑制作用并不局限于SI沉默位点，而是延伸到功能和/或解剖学连接的下游抓取行为网络。
下游抓取网络中感觉诱发的BOLD信号的远程衰减在解剖学和/或功能上与表达DREADD的SID2相连接
因为抑制性DREADD被局部转导到SID2，所以作者预测远处身体部位的表征如足部不会受到影响。为了评估这一预测，他们接下来检测了对DREADD半脑对侧脚底的感觉刺激的BOLD信号。
脚底皮肤触感刺激明显激活了对侧SI在中央沟的后内侧部分，而在DCZ处理后，同一半脑的SI脚底区域的感觉激活没有减弱，与对照组相比意外增强，DCZ诱导的足底表征的上调在下游区域SII也被观察到，给予DCZ后，SI和SII脚底区域的BOLD信号均显著增加。
这些结果表明，化学遗传学沉默对躯体网络的运作具有双向作用：除了沉默位点及其下游网络的下调，SID2沉默还诱导了远处身体部位的网络功能的上调。
总之，同步SID2沉默和感觉fMRI揭示了灵长类动物躯体感觉网络操作的双向变化，这是灵长类动物多方面行为损伤的基础。
SID2的局部沉默上调了躯体感觉网络中与相应行为变化相关的足部表征
总之，作者证明了fMRI引导的局灶化学遗传学沉默双向改变了猕猴的感觉诱发网络信号，并伴随相应行为的损伤。与传统的干扰相比，化学遗传沉默的伤害性小，且不会对操作目标组织造成物理损伤。这些优势也将允许在fMRI中进行可重复的沉默，并在远程沉默位点进行后续电生理学研究，以阐明其在同一动物中的神经元基础。
这种方法将对非人类灵长类动物各种高级大脑功能背后的因果网络带来多尺度理解，为在健康和疾病中相应的人类大脑功能提供更深的见解。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.08.032
Hirabayashi T, Nagai Y, Hori Y, Inoue KI, Aoki I, Takada M, Suhara T, Higuchi M, Minamimoto T. Chemogenetic sensory fMRI reveals behaviorally relevant bidirectional changes in primate somatosensory network. Neuron. 2021 Oct 20;109(20):3312-3322.e5. doi: 10.1016/j.neuron.2021.08.032. PMID: 34672984.