大脑是一个极其复杂和活跃的器官，它利用电力和化学物质在其子区域之间传输和接收信号。
研究人员探索了各种技术来直接或间接测量这些信号，以更多地了解大脑。例如，功能磁共振成像(fMRI)使他们能够通过与血流相关的变化来检测大脑活动。
北卡罗来纳大学 生物医学研究成像中心副主任、学教授Yen-Yu Ian Shih博士和他的实验室成员长期以来一直对大脑中的神经化学物质如何调节和影响神经活动、血流以及随后的功能磁共振成像测量感到好奇在大脑中。该实验室的一项新研究证实了他们的怀疑，即功能磁共振成像的解释并不像看起来那么简单。
“在解释功能磁共振成像数据时，很少考虑向血管发出的神经化学信号，”同时领导 动物磁共振成像中心的施说。“在我们对啮齿动物模型的研究中，我们发现神经化学物质除了向典型脑细胞发出众所周知的信号作用外，还向血管发出信号，这可能对功能磁共振成像测量有重大贡献。”
他们的研究结果 发表 在 《自然通讯》上，源于 美国国立卫生研究院和北卡罗来纳大学投资的 380 万美元拨款，用于支持生物医学研究所安装 和 升级 两个 9.4 特斯拉动物 MRI 系统和一个 7 特斯拉人体 MRI 系统影像中心。
当特定大脑区域的神经元活动增加时，该区域的血流量和氧气水平会增加，通常与神经活动的强度成正比。研究人员决定利用这种现象来发挥自己的优势，并最终开发出功能磁共振成像技术来检测大脑中的这些变化。
多年来，这种方法帮助研究人员更好地了解大脑功能，并影响他们对人类认知和行为的了解。然而，施实验室的新研究表明，这种既定的神经血管关系并不适用于整个大脑，因为不同大脑区域的细胞类型和神经化学物质有所不同。
Shih 的团队专注于纹状体(大脑深处涉及认知、动机、奖励和感觉运动功能的区域)，以确定大脑区域中某些神经化学物质和细胞类型可能影响功能磁共振成像信号的方式。
在他们的研究中，Shih 的实验室使用基于光的技术控制啮齿动物大脑的神经活动，同时测量电、光、化学和血管信号以帮助解释功能磁共振成像数据。然后，研究人员通过向大脑注射不同的药物来操纵大脑的化学信号，并评估这些药物如何影响功能磁共振成像反应。
他们发现，在某些情况下，纹状体的神经活动增加，但血管收缩，导致功能磁共振成像负信号。这与纹状体中的内部阿片类信号传导有关。相反，当另一种神经化学物质多巴胺在纹状体中占主导地位时，功能磁共振成像信号呈阳性。
“我们发现了几个例子，纹状体中的功能磁共振成像信号看起来与预期的完全不同，”施说。“重要的是要注意潜在的神经化学信号传导，这些信号传导可以同时影响血管或血管周围细胞，可能会掩盖由神经活动触发的功能磁共振成像信号变化。”
Shih 实验室的成员，包括第一作者和共同作者 Dominic Cerri 博士和 Lindsey Walton 博士，前往英国苏塞克斯大学，在那里他们能够进行实验并进一步证明阿片类药物的血管效应。
他们还在北卡罗来纳大学的 7-特斯拉 MRI 系统中收集了人类功能磁共振成像数据，并与斯坦福大学的研究人员合作，利用经颅磁刺激(一种利用磁场刺激人脑的程序)探索可能的发现。
通过更好地了解功能磁共振成像信号，基础科学研究人员和医师科学家将能够更准确地了解健康大脑以及神经系统和神经精神疾病的神经活动变化。
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