混合多模態磁共振同步成像解析神經血管耦合機制新方法
由 Zhenyue Chen, Yi Chen, Imak Gezginer, Qingxiang Ding, Hikari A. I. Yoshihara, Xosé Luis Dean-Ben, Ruiqing Ni 和 Daniel Razansky 共同完成的研究成果“Non-invasive large-scale imaging of concurrent neuronal, astrocytic, and hemodynamic activity with hybrid multiplexed fluorescence and magnetic resonance imaging (HyFMRI)”，于2025年發表在《Light: Science & Applications》上，其中介紹的混合多路熒光和磁共振成像（HyFMRI）技術，正是針對這一挑戰的革新性解決方案。該技術通過光纖成像與MRI的深度集成，實現了對神經元、星形膠質細胞鈣信號和BOLD血氧水平依賴信號的并發采集，標志著多模態神經成像技術邁入了能夠直接關聯微觀細胞活動與宏觀腦功能的新階段，對揭示腦功能基本原理和神經系統疾病機制具有深遠的前瞻意義。
重要發現
01HyFMRI的核心技術機制
HyFMRI平臺的獨特之處在于其精巧的多模態兼容性設計和光學成像鏈路的創新。
光纖傳像與電磁屏蔽機制：HyFMRI的核心光學部件是一個定制的MRI兼容纖維鏡。該纖維鏡的成像束由數萬根光纖組成，負責將大腦皮層發出的熒光信號傳輸至遠離MRI磁體的相機。照明束則由多根獨立光纖組成，用于將激發激光傳導至樣本。這種全光纖設計使得敏感的電子設備（激光器、相機）可以放置在MRI掃描室之外，從根本上避免了它們與MRI掃描儀射頻場和梯度磁場的相互干擾，確保了光學和MRI信號采集的同步進行且互不影響質量。
多路熒光分離與探測機制：為了實現神經元和星形膠質細胞活動的同步記錄，系統采用488納米和561納米兩種波長的激光分別激發遺傳編碼鈣指示劑GCaMP（標記星形膠質細胞）和RCaMP（標記神經元）。收集到的熒光信號通過二向色鏡進行光譜分離，隨后由兩個獨立的相機并行探測。這種光學設計避免了信號串擾，實現了雙通道熒光的同時、高幀率（40 Hz）成像。
時空同步與數據融合機制：平臺通過外部觸發設備統一控制電刺激范式、光學成像和fMRI序列的啟動，確保所有模態的數據在時間上精確對齊。在空間配準上，利用熒光圖像和磁共振血管成像中共同的血管輪廓和腦結構特征作為標志，通過一系列圖像處理步驟，最終將光學信號映射到標準腦圖譜空間，實現了細胞特異性熒光信號與全腦BOLD激活圖的精確空間關聯。
02成功實現多模態信號同步捕獲本研究最核心的貢獻在于實驗驗證了HyFMRI平臺能夠在前爪電刺激下，從小鼠大腦對側初級體感皮層（S1FL）區域，同步捕獲到三種不同類型的活動信號：來自神經元（RCaMP信號）、星形膠質細胞（GCaMP信號）的鈣活動以及全腦范圍的BOLD-fMRI信號。激活圖明確顯示，三種信號的激活區域在空間上高度重合，且僅限于刺激對側半球，證明了平臺記錄的特異性和可靠性。
03揭示細胞特異性活動動力學規律
對信號時間過程的分析揭示了清晰的激活動力學層次。神經元活動表現出最快的動力學特性，其達到峰值的時間最短，激活幅度也最高。星形膠質細胞活動的達峰時間和幅度次之。最慢的是BOLD血流動力學響應。這種精確量化的時序關系（神經元領先于星形膠質細胞，二者均領先于BOLD）為理解神經血管耦合的級聯事件提供了關鍵的時間窗證據。
04為神經血管耦合機制提供直接證據
相關性分析顯示，神經元活動與星形膠質細胞活動的時間曲線具有極高的線性相關性。這一發現為“神經元-星形膠質細胞-血管”通路在神經血管耦合中的核心作用提供了強有力的直接實驗證據。相比之下，直接將神經元活動通過經典血流動力學響應函數卷積后預測的BOLD信號，與實際測量的BOLD信號之間的相關性較低，且存在延遲，這表明從神經活動到血流響應的轉換是一個復雜的、非線性的過程，其中星形膠質細胞扮演著不可或缺的中間角色。
挑戰與展望
盡管HyFMRI技術展現了巨大潛力，但其邁向更廣泛應用和臨床轉化仍面臨諸多挑戰。首先，當前基于寬場熒光成像的技術本質上是二維的，主要捕獲大腦表層皮層的活動信息，對深部腦區的探測能力有限；同時，生物組織對光的強烈散射也限制了其有效空間分辨率。其次，平臺的復雜性較高，涉及病毒轉染、多模態設備集成和同步、以及復雜的多源數據配準與分析流程，對操作者和數據分析者都提出了較高要求。最后，將光遺傳學刺激整合進HyFMRI平臺，有望實現從“相關性研究”到“因果性研究”的飛躍，精準解析特定神經環路功能。
展望未來，技術的發展有幾個明確的方向：一是通過結合光場成像等計算光學方法，或與具有深層穿透能力的成像模態（如光聲斷層成像）進一步融合，來獲取三維神經活動信息；二是開發更高效、光譜更遠（如近紅外二區）的遺傳編碼鈣指示劑，以減少散射、增強信噪比并探測更深組織；三是簡化系統操作和數據分析流程，提升其易用性和可重復性；總之，HyFMRI為代表的多模態融合成像技術，正引領我們進入一個能夠無縫銜接微觀細胞事件與宏觀腦功能的新時代，必將極大地推動對大腦工作原理和神經系統疾病機制的深刻理解。
論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Chen Z, Chen Y, Gezginer I, Ding Q, Yoshihara HAI, Deán-Ben XL, Ni R, Razansky D. Non-invasive large-scale imaging of concurrent neuronal, astrocytic, and hemodynamic activity with hybrid multiplexed fluorescence and magnetic resonance imaging (HyFMRI). Light Sci Appl. 2025 Sep 25;14(1):341.
DOI:10.1038/s41377-025-02003-9.
