Корейские инженеры разработали новый метод для функциональной магнитно-резонансной томографии, который позволяет напрямую визуализировать нейронную активность мозга с точностью до пяти миллисекунд, сохраняя при этом высокое пространственное разрешение в 0,22 миллиметра.

Описание нового подхода, который авторы назвали DIANA, опубликовано в Science.

Современная наука использует множество способов изучить активность мозга животных и людей, но каждый из методов имеет свои ограничения.

Например, электроэнцефалография позволяет измерять электрические волны, регистрируя колебания напряжения, которые зависят от ионного тока в нейронах. Несмотря на то, что этот метод обладает хорошим временным разрешением, запись электроэнцефалографии может сильно искажаться из-за физических и физиологических помех (окружающие ткани или движение).

А вот функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), с помощью которой можно визуализировать активность мозга, более точно показывает картину происходящего в нем, но, в основном, работает она не напрямую — с помощью магнитного поля фМРТ фиксирует изменения в токе крови при активации структур мозга, поэтому об ответе на стимул можно узнать только через секунды после его появления.

Хотя фМРТ остается одной из самых популярных методик неинвазивной визуализации активности мозга, использование непрямого пути фиксации параметров сильно сказывается на точности результатов экспериментов. Поэтому ученые постоянно ищут способы улучшить методы исследования.

Команда корейских инженеров при участии Фан Тон Тои (Phan Tan Toi) из департамента биомедицинской инженерии Университета Сонгюнгван разработала фМРТ метод, с помощью которого можно напрямую фиксировать нейронную активность.

Главное преимущество нового способа визуализации, который авторы назвали DIANA (direct imaging of neuronal activity), в том, что он позволяет сохранить пространственную точность (разрешение) метода функциональной МРТ и при этом повысить временное разрешение: DIANA может динамически визуализировать импульсы нейронов с точностью до миллисекунд помощью подхода «2D fast line-scan».

Схема получения скана DIANA / Toi et al. / Neuroscience, 2022

Тестирование нового метода проходило на мышах в МРТ сканере мощностью 9,4 Тесла. Фокусом для визуализации служила область в один миллиметр первичной соматосенсорной коры. В процессе сканирования исследователи каждые 200 миллисекунд подавали электрический импульс частотой пять герц и длительностью 0,5 миллисекунд в подушечки усов мышей, которые находились под наркозом.

Результаты показали, что электрическая стимуляция провоцировала значительное увеличение сигнала в контрлатеральной первичной соматосенсорной коре, по сравнению с уровнем сигнала до появления стимула (p < 0,001). Задержка пика увеличения сигнала DIANA составила 25 миллисекунд с момента стимуляции. Авторы не обнаружили такого эффекта у мышей, которые не получали электрической стимуляции, а также у мертвых мышей.

Кроме того, когда авторы визуализировали нейронный ответ на стимуляцию подушечек усов, проходящий через таламус в первичную соматосенсорную кору, обычный метод фМРТ, который основывается на изменениях в токах крови, показал параллельную активацию таламуса и первичной соматосенсорной коры из-за плохого временного разрешения, в то время как сигнал DIANA показал значимую активацию структур последовательно.

Таким образом, авторы показали, что новый метод обладает улучшенным временным разрешением в пять миллисекунд и пространственным разрешением в 0,22 миллиметра. Исследователи отмечают, что DIANA может внести большой вклад в изучение функциональной организации мозга, включая нейронные сети.