光遗传功能磁共振成像

本成像技术的总体目标是将功能性磁共振成像（fMRI）与光遗传学刺激相结合，实现对活体全脑范围内功能神经环路及其动态变化的细胞类型特异性定位。该方法有助于解答神经科学领域的一些关键问题，例如确定特定脑环路组分在驱动全脑活动中的作用。该技术的主要优势在于能够实现细胞类型特异性的刺激，并以相对较高的空间分辨率读取全脑功能活动信息。

本实验操作将由我实验室的研究生 Jia Liu 和 Zhongnan Fang 演示。按照文本方案中所述方法麻醉动物后，使用电动剃刀剃除头部毛发，并用聚维酮碘进行三次外科擦洗，再用70%乙醇冲洗。接下来，将动物颅骨固定于立体定位仪中。

使用手术刀在颅顶正中做一条15至20毫米的切口。用止血钳夹住骨膜并牵开头皮。在颅骨上确定人字缝（Lambda）和冠状缝（Bregma）的位置，然后将钻头置于目标区域（ROI）上方。

使用牙科钻在目标区域（ROI）上方钻一个小的颅骨开孔，注意不要刺破脑组织。通过颅骨开孔将连接至微升注射器的针头缓慢插入脑内的目标区域（ROI）。然后使用微量注射泵控制器向目标区域（ROI）注射两微升的载体溶液。

注射完成后，等待10分钟，然后以每分钟0.5毫米的速度缓慢取出注射器。注射结束后，将颅骨表面干燥。确认感兴趣区域（ROI）的坐标，并以每分钟0.5毫米的速度将套管植入物插入至目标深度。

最后，使用牙科水泥将卡套植入物固定在颅骨上。待牙科水泥完全固化后，用缝线在牙科水泥覆盖区域周围封闭切口。首先将光纤连接线连接至激光光源，并使用功率计测量连接线末端输出的光功率。

调整适当的功率水平，使植入大脑内的光纤电缆末端产生所需的输出光量。通过遮盖动物的眼睛来防止植入物的光线泄漏。然后，将线圈放置在动物头部上方。

使用套筒将光纤电缆固定到套管植入物上。将动物置于扫描仪的孔洞内。通过调节人工呼吸机，使呼吸频率、潮气末二氧化碳和体温在整个实验过程中保持在正常生理范围内。

将BNC电缆从MRI扫描仪的触发端口连接到函数发生器。在操作窗口中选择一个定位序列，然后点击“扫描”以继续成像动物头部位置。

如果大脑不在等中心位置，则调整动物头部的位置，并重复进行定位扫描，直至大脑位于等中心。采集高分辨率解剖图像，以检查大脑整体结构的完整性，并确认光纤植入的位置。然后，选择一个T2加权序列。

调整切片数量，然后点击“scan”以获取T2加权高分辨率冠状位解剖图像。最后，选择多层梯度回波序列，然后点击“continue”以获取功能图像。本方案采用光遗传学fMRI在动物模型中刺激运动皮层。

该激活图显示了运动皮层和丘脑中被激活的体素，表明这些区域之间存在长距离的突触连接。此处展示了在对运动皮层进行光遗传学刺激期间，运动皮层和丘脑中活跃体素的BOLD信号。丘脑的血流动力学响应函数显示出相对于运动皮层在刺激后的响应存在延迟。

观看本视频后，您应能够充分理解如何进行植入手术以及光遗传学功能磁共振成像。一旦掌握，该成像过程可在两小时内完成。在实施该操作时，非常重要的一步是监测动物状态，并将其生理指标维持在正常范围内。

完成此操作后，可采用其他补充方法，例如使用电生理学技术研究神经活动的时间动态，或使用免疫组织化学验证视蛋白的表达与特异性。该技术的发展为神经科学家研究完整活体大脑中的功能连接性开辟了道路。请务必注意，操作 MRI 扫描仪可能具有极高的危险性。

在执行此操作步骤时，应始终采取预防措施，例如将磁性设备与扫描仪保持足够远的距离。