升級 MRI 造影新技術！DIANA 提高大腦內訊號的時間、空間分辨率

來自韓國的生物醫學工程系教授 Jang-Yeon Park 帶領其研究團隊研發一新興技術，可克服現有、已使用將近 30 年的功能性磁振造影（functional magnetic rfesonance imaging, fMRI）技術的多重限制，提供神經學科學家在研究帕金森氏症（Parkinson’s disease）、阿茲海默症（Alzheimer’s disease）等腦部疾病更有力的研究工具，以了解生物神經網路的運作方式。

若這項新技術成功，有朝一日將可強化或直接取代目前廣泛使用的臨床造影工具，包含監測大腦內的電波、磁力訊號的腦電圖（electroencephalography, EEG）與腦磁圖（magnetoencephalography, MEG）。此研究於 10 月 13 日刊登於 Science 期刊中。

現有 fMRI 的限制

fMRI 自 1990 年問世後，為大腦研究帶來革命性的改變，因其為臨床提供一種無創、非侵入性的追蹤人腦活動模式的方法，讓研究人員能得以繪製大腦中各區域的情形。然而，fMRI 的能力卻會受限於神經元激活的時間與地點，因其是透過測量血氧濃度相依對比（blood oxygenation level–dependent, BOLD）以監測神經元的活動。BOLD 能反映大腦的血流動力學改變，包含神經元活動變化所引起的血流循環變動；然而儘管 BOLD 為 fMRI 提供了毫米量級的空間分辨率，但要由此推斷神經元活化的空間與時間上的概念上仍是模糊的，進而導致 BOLD 在空間特異性的限制。這是因為儘管血流動力學的波動非常迅速（約 1 秒鐘），但神經元在認知與感覺傳導的速度更快（約 0.1 秒鐘），如此速度導致研究人員無法追蹤神經元活化，更也無法如實、即時的反應大腦內的變化。

克服 MRI 機器限制的新技術－DIANA

韓國大學的研究團隊提出一種高解析度的 DIANA 技術（direct imaging of neuronal activity），可直接反映神經元的細胞內電壓信號，克服時間與空間特異性的間接生理限制；此外，DIANA 的運用上不需要顯影劑（contrast agents），可搭載在現有的 MRI 設備上來操作。透過監測小鼠大腦來評估 DIANA 技術表現後發現，不但時間分辨率可提高至以 5 毫秒為單位的神經元活動，還能檢測到微小的訊號，同時保留了 MRI 的高空間分辨率（0.22 毫米）的優勢。

研究團隊利用 DIANA 技術來顯影小鼠大腦示意圖。（圖片來源：Science）

樂見於 DIANA 技術優秀的表現，研究團隊指出未來可將其轉為臨床人體系統，也預計將會在人腦網路中觀察到更複雜的訊號回饋，並可藉此試探 DIANA 技術的極限。整體而言，DIANA 為神經影像學開闢了新路徑，讓臨床科學家將能更準確、深入地了解大腦內的組織與功能；而其具備的高時間與空間分辨率將有助於解釋神經網路的時空動態，以期其功能之間的因果關係。

延伸閱讀：全球首次大規模腦部研究，證實大腦大小隨年紀變化！

參考資料：
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4938
2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4340