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(shù)，首次實(shí)現特異類(lèi)型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的在體檢測。相關(guān)成果在影像學(xué)頂級期刊《神經(jīng)影像》(Neuroimage)上發(fā)表。  

　　大腦包含上千億個(gè)神經(jīng)元，通過(guò)數以萬(wàn)億個(gè)突觸建立起復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )用于細胞間通信。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的復雜性對于處理大腦中的信息和指導行為至關(guān)重要。因此，神經(jīng)連接的闡明和可視化對于解析大腦功能和疾病至關(guān)重要?；诓《镜哪X網(wǎng)絡(luò )示蹤技術(shù)在研究不同腦區之間的網(wǎng)絡(luò )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(lài)于光學(xué)成像，因此主要是應用于腦片水平的網(wǎng)絡(luò )檢測，但在活體水平檢測全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )仍具有挑戰性。

　　精密測量院徐富強、王杰課題組，長(cháng)期聚焦于整合磁共振成像和病毒示蹤等多模態(tài)技術(shù)研究睡眠剝奪或疼痛誘發(fā)的腦損傷及后期腦保護機制，并建立起一系列新技術(shù)用于臨床及臨床前研究。近年來(lái)課題組在該領(lǐng)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(shù)，并用于腦網(wǎng)絡(luò )與膠質(zhì)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(dòng)力學(xué)及磁共振成像等技術(shù)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(shù)及影像組學(xué)探索臨床相關(guān)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(lǐng)下，率先建立一種新型基因編碼生物磁共振成像技術(shù)。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(shí)現了基于全腦組織水平檢測特定腦區的腦網(wǎng)絡(luò )（Neuroimage，2019）。但由于VSV的高毒性，該工具無(wú)法實(shí)現活體成像。鑒于此，團隊又利用低毒的重組腺相關(guān)病毒（rAAV），制備嵌有Ferritin和EGFP融合基因的新型工具病毒，實(shí)現了特定腦區的全腦結構網(wǎng)絡(luò )連接在體檢測，成像時(shí)間為病毒感染60天后（Human Brain Mapping, 2021）。為突破成像時(shí)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(shí)現了星形膠質(zhì)細胞（Molecular Psychiatry，2022）和特異類(lèi)型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的活體成像（Neuroimage, 2022）。

　　在該研究中，研發(fā)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(lèi)水通道的AQP1蛋白標記腦網(wǎng)絡(luò )，開(kāi)發(fā)出一系列新型工具病毒，然后基于無(wú)金屬輔助的磁共振成像技術(shù)實(shí)現在體的全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行在體檢測。結果發(fā)現大腦內多個(gè)腦區均可見(jiàn)磁共振信號的變化，包括CPU、Ctx、BLA、Ins、Tha和HIP等腦區，成功實(shí)現特定腦區相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò )的快速成像（60天提升至21天）。項目同時(shí)結合Cre-loxP系統，制備表達Cre依賴(lài)性AQP1相關(guān)工具病毒rAAV-retro-DIO-AQP1-EGFP用于活體檢測特定腦區特定神經(jīng)元類(lèi)型的腦網(wǎng)絡(luò )。因此，本項目最終建立了一種靈敏的、基于無(wú)金屬MRI的研究策略，用于活體檢測大腦內細胞類(lèi)型特異性神經(jīng)連接，這為嚙齒動(dòng)物和非人類(lèi)靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的可視化研究提供了堅實(shí)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(lèi)型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的MRI成像結果及熒光成像對比分析圖

相關(guān)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(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Neuroimage上，精密測量院博士后鄭寧和深圳先進(jìn)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(xué)基金等項目的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811922005195