机器学习、分子探针…前沿技术如何帮助构建多元化人脑「地图」?
近年来,随着脑内成像技术的飞速发展,人们可以通过脑图获知神经解剖学的有关细节,或是部分信号通路的脑内神经活动成像,以及部分基因表达或蛋白质表达引发大脑活动的变化情况。
目前,成熟的脑图类型主要有两种 —— 脑分子影像和脑活动模型。然而成像形式多种多样,不同技术获取的脑图信息差异极大,难以形成结构与功能、分子活动与全脑活动的关联。
近年来,实现不同类型脑图之间的关联成为了技术发展的重点。通过建立分子和细胞活动与大脑功能之间的联系,科学家们不仅可以积累基因型 - 表型关联,还可以对神经活动和相关机制进行详细解读。例如,自闭症、精神分裂症和神经退行性疾病等与脑内分子活动的相关性。
为了将不同类型脑图建立联系,分子 fMRI 技术迎来了最新进展。这是一种新形式的 fMRI 技术,通过使用化学或基因编辑构造的探针结合 fMRI 技术监测大脑活动,使无创全脑神经成像具有接近光学神经成像方法的特异性和分辨率。
绘制脑图建立结构性认知
绘制人类大脑图谱,这项听起来疯狂且大胆的计划在 2003 年由艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)筹备启动。
艾伦脑科学研究所以加速了解人类大脑在健康和疾病中的运作方式为目标,不断整合脑类解剖学图像和基因表达信息,并将汇总的各类脑图数据公开访问。
图丨艾伦脑科学研究所研究进展(来源:ALLEN INSTITUTE)
人类脑图(brain map)被形象的命名为 “map”,其图形建立方式与全球定位系统(GPS)有异曲同工之妙。Allen 人脑图谱确定了人脑中的 1000 个解剖点,并标明了每个点上特定的基因表达和基本的生物化学特性。科学家将相关数据编制成为 “Allen Human Brain Atlas” 数据库。
该数据库中除了显著标识出人类基因图谱中的每个基因在大脑上的表达区域之外,还包括了各类大脑磁共振成像(MRI)数据,对于促进正常和疾病状态下的人脑临床研究有极大帮助。
图丨ALLEN发布的人脑图谱集(来源:ALLEN INSTITUTE)
今年四月份,艾伦研究所在脑部疾病治疗方向有了最新进展,该机构宣布与生物制药公司 BioMarin 合作开发罕见脑部疾病的基因疗法。据悉,该合作是基于艾伦脑科学研究所开发出的工程化腺相关病毒(AAV),这些改良的病毒可以精确影响大脑中特定类别的细胞。
通过机器学习绘制大脑活动图
按照检测目的的不同,磁共振成像可以分为结构性磁共振成像(sMRI)和功能性磁共振成像(fMRI)。其中,sMRI 提供有关大脑解剖结构的信息,fMRI 常用于绘制大脑的功能图像。
以最简单的 fMRI 实验为例,让受试者在一段时间内观看视频获取视觉刺激与闭眼交替进行,通过分析 fMRI 数据信号识别到具有对应变化的大脑区域,这些区域即被视为刺激激活区。
图丨受到视觉刺激被激活的脑后部视觉皮层(来源:Net Rev Neurosci)
功能性磁共振成像(function magnetic resonance imaging, fMRI)的主要方法是根据人脑功能区被信号激活时血红蛋白和脱氧血红蛋白两者之间比例发生改变,随之产生局部磁共振信号改变而进行工作。被称为血氧水平依赖法(blood oxygenation level dependent, BOLD)
图丨Semantic Maps的3D模型(来源:gallantlab)
(来源:Nature )
纹状体是大脑内部负责调节奖励,动力,冲动和运动功能的部分,通常被认为是决策和各种成瘾发展的核心部分。
参考资料:
https://www.genengnews.com/insights/brain-maps-may-reveal-the-origins-and-paths-of-neurological-dysfunction/ https://www.genengnews.com/insights/mapping-how-the-brain-organizes-semantic-activity/ https://alleninstitute.org/news-press/press-releases/allen-institute-and-biomarin-team-develop-gene-therapies-rare-brain-diseases http://fmri.ucsd.edu/Research/whatisfmri.html https://www.nature.com/articles/s41467-020-16118-7 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/VIW.20200059 Huth, A.G., de Heer, W.A., Griffiths, T.L.,Theunissen, F.E., Gallant, J.L., 2016. Natural speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex. Nature 532, 453–458. doi:10.1038/nature17637