张孝通团队在NeuroImage发文报道基于7T磁共振技术的多模态猕猴脑功能网络观测、追踪与调控的新方法
基于血氧水平依赖原理的功能磁共振成像技术（BOLD fMRI）已经成为认知与神经科学领域最常使用的神经影像技术之一，用来非侵入性地观测大脑神经活动。借助该技术，人们可以识别大脑皮层的层和柱结构，并绘制中尺度结构特异性连接的图像。近些年，功能磁共振成像与其他神经影像学和神经调控方法的结合越来越多，例如光子成像（OI）、电生理学（如脑电图EEG）、聚焦超声刺激（FUS）、经颅直流电刺激（tDCS）和红外神经刺激（INS），这些方法提供了从单个动物中关联多种类型数据集的可能性。然而目前仍缺乏应用于超高场磁共振脑功能研究的多观测调控模态的有力工具，对脑网络的研究限制于较为单一的时空尺度。
针对以上问题，2023年5月25日，浙江大学电气工程学院“百人计划”研究员张孝通课题组在《NeuroImage》发表题为“Design and application of a multimodality-compatible 1Tx/6Rx RF coil for monkey brain MRI at 7T”的研究论文（DOI：doi.org/10.1016/j.neuroimage.2023.120185），提出了一种兼容多种神经成像及调控方式的脑网络观测调控装置的设计，并在光、声、电等多模态技术上得以应用。研究初步揭示了在多个时空尺度上进行大脑研究的可行性，为脑认知、脑疾病和类脑智能研究提供全新的理论支持与技术手段。
研究团队提出了一种兼容多模态的猕猴全脑射频线圈设计（见图1）。其中发射线圈采用单环状天线设计，平衡线圈信号激发的覆盖范围和均匀性以及体积的空间占用问题；接收线圈采用紧密贴合头部的头盔型外型设计，并搭载优化尺寸和位置的六通道的接收天线阵列，以提高全脑区域磁共振信号的覆盖范围和图像的时空信噪比，线圈外壳依据各阵列单元的导线走行设计出四路多模态装置接口。通过在西门子7T磁共振成像平台上评估发现，新的设计相比于商用装置有提升的性能和更灵活的应用。
图1 多模态兼容的猕猴全脑成像射频线圈设计
为了证明该装置在多时空尺度上进行大脑研究的可行性，研究团队将功能磁共振成像技术（fMRI）与红外神经刺激（INS）、聚焦超声（FUS）和经颅直流电刺激（tDCS）分别结合，探究其实际应用的可能性。初步研究结果表明，利用本研究提出的装置可以有效地在INS、FUS等神经调控模态下探测到相应神经核团或皮层的激活，具体地，INS相关实验中研究团队通过一根抵达猴脑深部的光纤，对杏仁核施加光脉冲串同时进行fMRI扫描，结果显示在刺激点杏仁核基底核和侧核的中间区域以及连接点听觉区域和外侧沟区域分别都得到了激活响应（见图2）；FUS相关实验中研究团队使用自制超声换能器对猴脑枕叶左侧施加一定频率和强度的聚焦超声脉冲串，并同时进行fMRI扫描，结果显示在左侧视皮层检测到神经激活，激活位置与超声路径一致（见图3）；在tDCS相关实验中，初步研究主要探究了在直流电极工作下对磁共振成像装置的干扰，研究团队使用导电橡胶刺激电极和碳纤维电极引线最大化抑制电磁干扰和噪声，同时采集的fMRI结果显示电极和导线的存在皆未带来明显射频干扰。
图2INS相关实验装置和结果
图3FUS相关实验装置和结果
浙江大学浙江大学生物医学工程与仪器科学学院、浙江大学系统神经与认知科学研究所博士生屈淑娴为第一作者；浙江大学系统神经与认知科学研究所王菁主任与赖欣怡研究员以及计算机科学与技术学院潘纲教授为本文共同通讯作者；研究工作同时还受到求是高等研究院张韶岷教授的大力支持。本研究受到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金项目和浙江省杰出青年基金项目等资助。
