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近日，精密測量院徐富強研究團隊基于新型基因編碼生物磁共振成像技術，首次實現特異類型神經元網絡的在體檢測。相關成果在影像學頂級期刊《神經影像》(Neuroimage)上發表。
大腦包含上千億個神經元，通過數以萬億個突觸建立起復雜的神經網絡用于細胞間通信。神經網絡的復雜性對于處理大腦中的信息和指導行為至關重要。因此，神經連接的闡明和可視化對于解析大腦功能和疾病至關重要。基于病毒的腦網絡示蹤技術在研究不同腦區之間的網絡連接及其相互作用具有重要的作用。然而，大多數病毒示蹤系統依賴于光學成像，因此主要是應用于腦片水平的網絡檢測，但在活體水平檢測全腦神經網絡仍具有挑戰性。
精密測量院徐富強、王杰課題組，長期聚焦于整合磁共振成像和病毒示蹤等多模態技術研究睡眠剝奪或疼痛誘發的腦損傷及后期腦保護機制，并建立起一系列新技術用于臨床及臨床前研究。近年來課題組在該領域取得了一系列高水平成果，包括建立新型基因編碼生物磁共振成像技術，并用于腦網絡與膠質細胞的在體檢測（Molecular Psychiatry-2022；Neuroimage-2022&2019; Human Brain Mapping-2021）；系統整合電生理、病毒示蹤、膜片鉗、代謝動力學及磁共振成像等技術研究腦損傷及后期的腦保護機制（PNAS，2013；Neuroscience Bulletin-2022&2020；Molecular Neurobiology-2022；Transl Psychiat-2021等）；基于磁共振成像技術及影像組學探索臨床相關腦疾病的腦結構與腦功能異常，為后期臨床治療提供理論依據（Journal of Clinical Investigation-2021；JCI insight-2021等）。團隊自2016年起，在徐富強、王杰的帶領下，率先建立一種新型基因編碼生物磁共振成像技術。首先制備了嵌合Ferritin基因和EGFP熒光蛋白基因的新型VSV病毒工具，率先實現了基于全腦組織水平檢測特定腦區的腦網絡（Neuroimage，2019）。但由于VSV的高毒性，該工具無法實現活體成像。鑒于此，團隊又利用低毒的重組腺相關病毒（rAAV），制備嵌有Ferritin和EGFP融合基因的新型工具病毒，實現了特定腦區的全腦結構網絡連接在體檢測，成像時間為病毒感染60天后（Human Brain Mapping, 2021）。為突破成像時間的瓶頸，團隊另辟蹊徑，基于磁敏感探針（水通道蛋白1-AQP1）制備新型病毒工具，最終實現了星形膠質細胞（Molecular Psychiatry，2022）和特異類型神經元網絡的活體成像（Neuroimage, 2022）。
在該研究中，研發團隊基于具有逆行能力的rAAV，rAAV2-retro，利用新型MRI 報告基因—編碼人類水通道的AQP1蛋白標記腦網絡，開發出一系列新型工具病毒，然后基于無金屬輔助的磁共振成像技術實現在體的全腦神經網絡檢測。團隊首先在小鼠CPU腦區微量注射病毒rAAV-retro-AQP1-EGFP，三周后利用擴散加權MRI（DWI）進行在體檢測。結果發現大腦內多個腦區均可見磁共振信號的變化，包括CPU、Ctx、BLA、Ins、Tha和HIP等腦區，成功實現特定腦區相關腦網絡的快速成像（60天提升至21天）。項目同時結合Cre-loxP系統，制備表達Cre依賴性AQP1相關工具病毒rAAV-retro-DIO-AQP1-EGFP用于活體檢測特定腦區特定神經元類型的腦網絡。因此，本項目最終建立了一種靈敏的、基于無金屬MRI的研究策略，用于活體檢測大腦內細胞類型特異性神經連接，這為嚙齒動物和非人類靈長類動物中神經網絡的可視化研究提供了堅實的基礎。
rAAV-retro-Dio-AQP1-EGFP的工具病毒示意圖及其用于活體標記特異類型神經元網絡的MRI成像結果及熒光成像對比分析圖
相關研究成果以“A novel technology for in vivo detection of cell type-specific neural connection with AQP1-encoding rAAV2-retro vector and metal-free MRI”為題發表在學術期刊Neuroimage上，精密測量院博士后鄭寧和深圳先進院博士后李梅（現就職于佛山市第一人民醫院）為該文章的共同第一作者，王杰為通訊作者。
該項目獲得國家自然科學基金等項目的支持。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811922005195