在當(dāng)代神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域，功能磁共振成像（fMRI）憑借其高空間分辨率的優(yōu)勢，成為揭示全腦活動(dòng)模式的重要手段。然而，單一模態(tài)的fMRI技術(shù)難以捕捉神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化這一關(guān)鍵信息，而電化學(xué)測量技術(shù)雖能精準(zhǔn)檢測神經(jīng)遞質(zhì)等分子的實(shí)時(shí)變化，卻無法實(shí)現(xiàn)全腦范圍的功能映射。如何在無相互干擾的前提下，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)數(shù)據(jù)的時(shí)空同步整合，進(jìn)而建立神經(jīng)化學(xué)信號與腦功能網(wǎng)絡(luò)之間的因果關(guān)聯(lián)，已成為領(lǐng)域內(nèi)亟待突破的核心挑戰(zhàn)。

北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的Tatiana A.Shnitko、Yen-Yu Ian Shih團(tuán)隊(duì)在《Nature Protocols》發(fā)表的創(chuàng)新性研究，提出了一套將快速掃描循環(huán)伏安法（FSCV）與fMRI深度融合的實(shí)驗(yàn)協(xié)議，首次實(shí)現(xiàn)了活體動(dòng)物腦內(nèi)神經(jīng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)與全腦血氧水平依賴（BOLD）信號的同步采集，為破解多模態(tài)整合難題提供了革命性解決方案。該方案通過磁共振兼容硬件設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)時(shí)序控制與多階段驗(yàn)證體系，有效克服了偽影干擾、硬件沖突等技術(shù)瓶頸，為探索神經(jīng)血管耦合機(jī)制及相關(guān)疾病病理生理過程開辟了新路徑。

多模態(tài)神經(jīng)成像的技術(shù)瓶頸與突破方向

傳統(tǒng)多模態(tài)神經(jīng)成像研究中，fMRI與電化學(xué)測量通常采用離線整合方式，這種模式難以捕捉神經(jīng)活動(dòng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。歐洲科學(xué)院院士蔣田仔團(tuán)隊(duì)的研究指出，多模態(tài)數(shù)據(jù)融合的核心目標(biāo)在于挖掘模態(tài)間共享信息與模態(tài)內(nèi)互補(bǔ)信息，但現(xiàn)有技術(shù)在同步性與兼容性兩方面均存在顯著局限。例如，同步腦電圖（EEG）與fMRI采集時(shí)，梯度磁場會(huì)產(chǎn)生幅度巨大的周期性偽跡，盡管可通過疊加平均、獨(dú)立成分分析等方法進(jìn)行校正，但仍無法完全消除干擾。

相較于EEG-fMRI融合，F(xiàn)SCV與fMRI的同步面臨更為復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)。一方面，電化學(xué)測量設(shè)備的金屬組件可能在MRI高磁場環(huán)境中產(chǎn)生渦流效應(yīng)，干擾圖像質(zhì)量并引發(fā)組織灼傷風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，F(xiàn)SCV的快速電勢掃描（通常為400 V/s）可能與MRI梯度脈沖產(chǎn)生電磁耦合，導(dǎo)致神經(jīng)化學(xué)信號失真。此外，兩種技術(shù)的時(shí)間分辨率差異（FSCV可達(dá)毫秒級，fMRI為秒級）也增加了數(shù)據(jù)對齊的難度。

此前，已有研究嘗試將正電子發(fā)射斷層掃描（PET）與fMRI結(jié)合，如德國圖賓根大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用功能性PET/MRI技術(shù)探究黑質(zhì)紋狀體通路的代謝與血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，但該技術(shù)依賴放射性示蹤劑，且時(shí)間分辨率難以滿足神經(jīng)遞質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測需求。而Shnitko團(tuán)隊(duì)提出的FSCV-fMRI方案，通過三大核心創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破：磁共振兼容的碳纖維微電極設(shè)計(jì)、基于TTL觸發(fā)的時(shí)序交錯(cuò)采集策略，以及涵蓋體外驗(yàn)證、在體植入到數(shù)據(jù)解析的全流程標(biāo)準(zhǔn)化操作。

實(shí)驗(yàn)方案的核心技術(shù)創(chuàng)新

磁共振兼容的微電極系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該方案的硬件核心在于一套定制化的磁共振兼容電化學(xué)檢測系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)采用聚酰亞胺包覆的熔融石英毛細(xì)管封裝T-650碳纖維制備工作電極，以銀/氯化銀（Ag/AgCl）作為參考電極，搭配磁共振兼容的三軸電纜與定制頭端放大器。碳纖維材料不僅具備優(yōu)異的導(dǎo)電性與生物相容性，其低磁敏感性可最大限度減少M(fèi)RI圖像偽影；聚酰亞胺涂層則進(jìn)一步降低了電極與磁場的相互作用，確保在高磁場環(huán)境下的信號穩(wěn)定性。

與傳統(tǒng)金屬電極相比，該設(shè)計(jì)在偽影抑制方面表現(xiàn)突出。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在3T磁共振場強(qiáng)下，碳纖維微電極產(chǎn)生的圖像偽影面積僅為不銹鋼電極的1.2%，且信號噪聲水平控制在5nA以下，完全滿足FSCV的檢測靈敏度要求（圖1）。此外，電極制備過程采用手工組裝與激光校準(zhǔn)相結(jié)合的方式，確保每根電極的尖端直徑（5-10μm）與暴露長度（100-200μm）高度一致，為實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性提供了硬件保障。

圖1:在高磁場中，確保最佳伏安記錄實(shí)踐程序。

圖2:程序概述。

時(shí)空同步采集與干擾抑制策略

為實(shí)現(xiàn)FSCV與fMRI的無干擾同步，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于TTL（晶體管-晶體管邏輯）觸發(fā)的時(shí)序交錯(cuò)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過定制同步盒連接MRI主控單元與FSCV數(shù)據(jù)采集設(shè)備，使兩種模態(tài)的采樣時(shí)序嚴(yán)格對齊。具體而言，梯度回波-平面成像（GE-EPI）序列的每個(gè)掃描周期（約2s）內(nèi)，F(xiàn)SCV采集被分配在梯度脈沖間隙的100ms窗口內(nèi)進(jìn)行，通過低通貝塞爾濾波（截止頻率1kHz）進(jìn)一步抑制電磁干擾（圖4）。

圖4:基于EPI，MRI條件下，實(shí)現(xiàn)多巴胺FSCV記錄的軟件修正。

圖5:具有用于調(diào)整FSCV記錄參數(shù)選項(xiàng)的HDCV數(shù)據(jù)采集界面。

圖6:用于FSCV數(shù)據(jù)分析的HDCV軟件界面。

軟件層面，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了HDCV數(shù)據(jù)采集與分析平臺，該平臺具備實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整、偽影在線校正與數(shù)據(jù)可視化功能（圖5、6）。例如，通過對EPI序列的相位編碼方向進(jìn)行軟件修正，可有效補(bǔ)償磁場不均勻性導(dǎo)致的信號畸變；而離線分析模塊則提供了循環(huán)伏安圖的基線校正、峰值檢測與動(dòng)力學(xué)建模工具，支持多維度數(shù)據(jù)的聯(lián)合解析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該同步策略可使FSCV信號的信噪比提升40%以上，同時(shí)BOLD信號的時(shí)間信噪比（tSNR）保持在80以上，滿足全腦功能連接分析的要求。

多階段驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)化流程

該協(xié)議構(gòu)建了從體外驗(yàn)證到在體應(yīng)用的三級驗(yàn)證體系，確保技術(shù)可靠性與可重復(fù)性。第一階段為體外流動(dòng)池驗(yàn)證，通過流動(dòng)注射系統(tǒng)將多巴胺標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.1-10μM）注入模擬MRI環(huán)境的流通池，同步記錄FSCV信號與磁共振圖像，評估不同濃度下的檢測靈敏度與抗干擾能力（圖8A）。第二階段為在體預(yù)備實(shí)驗(yàn)，通過立體定位手術(shù)將碳纖維電極植入大鼠伏隔核，刺激電極植入腹側(cè)被蓋區(qū)（圖5），術(shù)后恢復(fù)72h確保動(dòng)物生理狀態(tài)穩(wěn)定。第三階段為同步采集實(shí)驗(yàn)，在異氟烷麻醉狀態(tài)下，大鼠頭部固定于定制線圈內(nèi)，同步進(jìn)行FSCV（掃描速率400V/s，電位范圍-0.4至1.2V）與fMRI（GE-EPI序列，TR=2000ms，TE=30ms）數(shù)據(jù)采集，單次實(shí)驗(yàn)持續(xù)60min，期間通過電刺激誘發(fā)多巴胺釋放（圖3）。

圖3:利用FSCV–fMRI檢測多巴胺和BOLD信號的原理。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程可在7天內(nèi)完成，具體時(shí)間分配如下：Day1-2為微電極制備與性能校準(zhǔn)；Day3進(jìn)行體外流動(dòng)池驗(yàn)證與設(shè)備同步調(diào)試；Day4實(shí)施立體定位手術(shù)；Day5-6為動(dòng)物術(shù)后恢復(fù)；Day7開展同步采集與數(shù)據(jù)初步分析。該標(biāo)準(zhǔn)化流程不僅降低了技術(shù)門檻，更為不同實(shí)驗(yàn)室間的結(jié)果對比提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與科學(xué)價(jià)值

圖7:用于確保FSCV記錄質(zhì)量控制的示波器和彩色圖。

圖8:在微流體流動(dòng)池和麻醉大鼠中，利用FSCV/fMRI方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

多巴胺動(dòng)態(tài)監(jiān)測與神經(jīng)血管耦合分析

以多巴胺為模型分析物，該方案在體外實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了0.1μM的檢測下限，線性響應(yīng)范圍覆蓋0.1-10μM（R2=0.996），完全滿足生理濃度下的動(dòng)態(tài)監(jiān)測需求。在體實(shí)驗(yàn)中，電刺激腹側(cè)被蓋區(qū)可誘發(fā)伏隔核多巴胺濃度的瞬時(shí)升高（峰值濃度2.3±0.5μM），同時(shí)伴隨紋狀體、前額葉皮層等腦區(qū)的BOLD信號顯著增強(qiáng)（圖8B）。通過交叉相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，多巴胺濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間較對應(yīng)腦區(qū)BOLD信號峰值提前1.8±0.3s，這一滯后效應(yīng)為神經(jīng)活動(dòng)引發(fā)血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的因果關(guān)系提供了直接證據(jù)。

研究還觀察到，在持續(xù)電刺激下，多巴胺釋放呈現(xiàn)頻率依賴性飽和特征，而相應(yīng)腦區(qū)的BOLD信號則表現(xiàn)為持續(xù)升高趨勢，提示神經(jīng)遞質(zhì)動(dòng)態(tài)與血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)可能遵循不同的調(diào)節(jié)機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)為BOLD信號變化直接等同于神經(jīng)元活動(dòng)的簡化模型，強(qiáng)調(diào)了多模態(tài)同步監(jiān)測的必要性。

技術(shù)拓展性與臨床轉(zhuǎn)化潛力

該協(xié)議具備良好的技術(shù)兼容性，可通過替換不同傳感元件適配多種分析物檢測。例如，將碳纖維工作電極替換為修飾有葡萄糖氧化酶的電極，可實(shí)現(xiàn)腦內(nèi)葡萄糖濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測；而基于適配體的傳感界面設(shè)計(jì)，則為檢測神經(jīng)肽、細(xì)胞因子等大分子物質(zhì)提供了可能。此外，該方案還可與光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合，通過光控精準(zhǔn)激活特定神經(jīng)元群，進(jìn)而研究神經(jīng)環(huán)路層面的化學(xué)傳遞與功能映射關(guān)系。

臨床轉(zhuǎn)化方面，該技術(shù)為神經(jīng)精神疾病的機(jī)制研究與診療提供了新工具。例如，在帕金森病動(dòng)物模型中，可同步監(jiān)測黑質(zhì)紋狀體通路的多巴胺能神經(jīng)元丟失與全腦功能連接異常，為疾病分期與藥物療效評估提供量化指標(biāo)；而在抑郁癥研究中，伏隔核多巴胺動(dòng)態(tài)與獎(jiǎng)賞回路BOLD信號的關(guān)聯(lián)分析，可能揭示疾病的分子病理基礎(chǔ)（圖5）。盡管目前該方案主要應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但研究團(tuán)隊(duì)已開展1.5T臨床MRI設(shè)備的兼容性測試，初步結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化的電極系統(tǒng)可在臨床場強(qiáng)下穩(wěn)定工作，為后續(xù)人體研究奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)局限性與未來展望

盡管該方案取得了顯著突破，但仍存在若干技術(shù)局限。首先，碳纖維微電極的植入屬于侵入性操作，限制了其在健康人群中的應(yīng)用；其次，當(dāng)前方案的FSCV檢測通道數(shù)量有限（單通道或雙通道），難以實(shí)現(xiàn)多腦區(qū)同時(shí)監(jiān)測；此外，在體實(shí)驗(yàn)中，腦組織位移與生理噪聲（如呼吸、心跳）可能影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，需進(jìn)一步開發(fā)更先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)校正算法。

未來研究可從三方面推進(jìn)技術(shù)革新：一是開發(fā)柔性陣列微電極，實(shí)現(xiàn)多腦區(qū)、多分子的并行檢測；二是結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，提升多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合分析效率，例如利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)偽影的自動(dòng)識別與去除；三是探索非侵入性電化學(xué)檢測技術(shù)，如基于微透析的在體采樣與FSCV結(jié)合，減少對腦組織的損傷。隨著技術(shù)的不斷成熟，F(xiàn)SCV-fMRI融合方案有望在神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床診療中發(fā)揮更大作用，為破解大腦功能的復(fù)雜性提供強(qiáng)有力的工具。