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作者与机构
本研究的主要作者包括Phan Tan Toi、Hyun Jae Jang、Kyeongseon Min、Sung-Phil Kim、Seung-Kyun Lee、Jongho Lee、Jeehyun Kwag和Jang-Yeon Park。他们分别来自韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）、韩国大学（Korea University）、首尔大学（Seoul National University）、蔚山国立科学技术研究院（Ulsan National Institute of Science and Technology）等机构。该研究于2022年10月14日发表在《Science》期刊上，标题为“In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporospatial resolution”。
学术背景
该研究属于神经科学领域，旨在解决神经影像学中长期存在的难题：如何在非侵入性条件下同时实现高时间分辨率和高空间分辨率来直接检测神经元活动。传统的功能性磁共振成像（fMRI）基于血氧水平依赖（BOLD）效应，虽然提供了毫米级的空间分辨率，但其时间分辨率受限于缓慢的血流动力学响应，无法直接捕捉毫秒级的神经元活动。相比之下，脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）虽然具有毫秒级的时间分辨率，但空间分辨率较低，仅能达到厘米级。因此，研究者提出了一种新的方法，称为“直接神经元活动成像”（Direct Imaging of Neuronal Activity, DIANA），能够在保留MRI高空间分辨率的同时，将时间分辨率提升至毫秒级。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. DIANA方法的开发与验证
研究者开发了一种二维快速线扫描（2D fast line-scan）技术，结合短回波时间（TE）和短重复时间（TR）的梯度回波成像序列，实现了毫秒级的时间分辨率。该方法通过在每个刺激间隔内重复采集k空间的一条线，并在不同时间段采集不同的k空间线，从而构建时间序列图像。
为了验证DIANA的有效性，研究者在9.4特斯拉的MRI设备中对麻醉小鼠的脑部进行了成像实验。实验中对小鼠的左侧触须垫施加电刺激，并在右侧初级体感皮层（S1bf）中观察到显著的DIANA信号变化。同时，通过体内尖峰记录和光遗传学实验，证实了DIANA信号与神经元活动的高度相关性。
神经元活动传播的时空成像
研究者进一步利用DIANA方法捕捉了神经元活动在丘脑-皮层通路中的顺序传播。实验结果显示，神经元活动首先在丘脑被激活，随后在皮层中传播。通过单单位记录实验，研究者发现DIANA信号的时序与神经元尖峰活动的时序高度一致，表明DIANA能够直接检测神经元活动。
光遗传学实验
为了进一步验证DIANA方法的准确性，研究者进行了光遗传学实验。通过在小鼠的S1bf中表达光敏感蛋白ChR2，并用473纳米蓝光刺激，研究者观察到DIANA信号在S1bf和丘脑中的传播与单单位记录的结果一致，进一步证实了DIANA方法的可靠性。
DIANA信号的非BOLD效应验证
为了排除DIANA信号是否受BOLD效应的影响，研究者在不同氧气条件下进行了fMRI实验。结果显示，BOLD信号在低氧条件下显著降低，而DIANA信号则保持不变，表明DIANA信号与BOLD效应无关。
DIANA信号的潜在机制探索
研究者通过实验和模拟，推测DIANA信号可能来源于神经元膜电位变化引起的水分子重排，从而导致T2弛豫时间的变化。这一假设通过T细胞实验得到了初步验证。
主要结果
1. DIANA方法能够在毫秒级时间分辨率下直接检测神经元活动，且信号与神经元尖峰活动高度相关。
2. DIANA方法成功捕捉了神经元活动在丘脑-皮层通路中的顺序传播，揭示了神经元网络的时空动态。
3. 光遗传学实验进一步验证了DIANA方法的准确性，表明其能够检测光遗传刺激引起的神经元活动。
4. DIANA信号与BOLD效应无关，其潜在机制可能与神经元膜电位变化引起的T2弛豫时间变化有关。
结论与意义
该研究开发了一种名为DIANA的新方法，首次在非侵入性条件下实现了毫秒级时间分辨率和亚毫米级空间分辨率的神经元活动直接成像。这一方法不仅为神经科学研究提供了强大的工具，还为理解大脑功能组织及其网络动态提供了新的视角。DIANA的应用前景广阔，未来可能用于人类fMRI研究，进一步揭示复杂脑网络的动态机制。
研究亮点
1. 首次在非侵入性条件下实现了神经元活动的直接成像，时间分辨率达到毫秒级。
2. DIANA方法能够捕捉神经元活动在神经网络中的顺序传播，揭示了大脑功能的时空动态。
3. 通过光遗传学实验和T细胞实验，验证了DIANA信号的准确性和潜在机制。
4. DIANA信号与BOLD效应无关，为神经影像学提供了新的信号来源。
其他有价值的内容
研究者还探讨了DIANA方法在视觉和听觉网络研究中的潜在应用，并初步验证了其在视觉刺激实验中的可行性。未来，DIANA方法有望用于研究更多复杂脑网络的动态机制，为神经科学和临床医学提供新的研究工具。
以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究背景、方法、结果、结论及其科学意义。