从超高场7T fMRI解码的猕猴腹侧和背侧视觉通路中尺尺度组织模式
从超高场7T fMRI解码的猕猴腹侧和背侧视觉通路中尺尺度组织模式
在《Progress in Neurobiology》杂志上，浙江大学神经科学与技术跨学科研究所和第二附属医院神经外科的研究团队发表了一篇题为《Mesoscale organization of ventral and dorsal visual pathways in macaque monkey revealed by 7T fMRI》的研究文章。本文首次揭示了猕猴腹侧和背侧视觉通路中复杂的尺尺度组织模式，并阐明了这些功能域在处理单一视觉刺激时的协同性。
背景介绍
视觉系统分为腹侧通路和背侧通路，这是由Mishkin及其同事早期提出的模型所定义的（Ungerleider和Mishkin，1982；Mishkin et al.，1983）。腹侧通路主要处理物体识别所需的视觉信息，如颜色、亮度和形状，而背侧通路则处理自我导航和自我运动相关的视觉信息，包括手部动作的协调，如如何抓住以特定方向和速度接近的球。尽管腹侧和背侧通路都对运动和差距等视觉线索敏感，但它们在不同功能上有所区分。
研究来源
本文的主要作者包括Jianbao Wang、Xiao Du、Songping Yao、Lihui Li、Hisashi Tanigawa、Xiaotong Zhang和Anna Wang Roe，均来自浙江大学。他们在《Progress in Neurobiology》期刊上发布了此研究，在线发布日期为2024年2月1日。
研究方法和实验流程
为了探索猕猴的视觉网络，研究团队开发了超高场（7T）fMRI方法，使其能够在单个猕猴中进行同时映射，检测两套视觉通路对单一简单颜色和运动刺激的反应。具体实验流程如下：
实验步骤
技术挑战和动物准备：为了增强信号噪声比（SNR）并获得高空间分辨率，团队采用了定制的16通道射频（RF）线圈，并结合7T磁体和多阵列RF线圈。所有动物（两只成年雌性猕猴）在实验前被麻醉并通过气管插管连接到呼吸机上，以确保稳定的扫面条件。
视觉刺激和数据采集：使用低时间频率的色彩漂移栅格和高时间频率的无色漂移栅格来引导特定反应。完整的视觉刺激显示在投影屏幕上，刺激期间12秒，间隔24秒的等亮度灰色屏幕。
MRI数据处理：采用梯度回波EPI序列进行功能影像采集，并使用3D T1加权MPRAGE序列进行全脑结构成像。为了精确分析数据，使用FreeSurfer软件增强影像，通过径向方向平滑处理来取消噪音并保持空间分辨率。
刻度尺组织的功能域映射
通过7T fMRI，该团队能够识别并映射两个视觉通路中的功能域，如V2条纹、V4色彩和亮度处理域、MT和MST区域的运动方向图、V3和V3A区域的交替色彩和运动方向域。
V2条纹和验证
V2区域已知包含“薄”、“淡”和“厚”条纹，这些条纹以周期性间隔排列。fMRI映射结果显示了这些功能条纹精确的空间位置，与细胞色素氧化酶的染色图相一致。
背侧通路的尺尺度运动域组织
在背侧视觉通路中，研究发现MT和MST区域的功能域显示了对运动方向的响应地图，进一步支持这些区域对复杂运动的处理能力。同时，V3d和V3A区域分别展示了交替的色彩和运动域，这种空间布局与人类视觉系统在这些区域的组织一致。
主要结果和意义
科学和应用价值
本研究不仅揭示了猕猴视觉通路的复杂功能组织，还提高了我们对这些通路如何协调处理视觉信息的认识。这为进一步理解大脑在视觉认知和行动中的功能性基础提供了新的见解。
亮点和创新点
- 创新方法：利用7T fMRI结合16通道RF线圈，实现了高空间分辨率、大视野范围内的功能域映射。
- 跨区域的尺尺度组织：首次在单个个体中展示了猕猴视觉通路中多个区域的功能域布局，为理解视觉信息处理提供了新视角。
潜在应用
未来的研究可以利用这些结果开发更加精准的脑刺激技术和脑机接口装置，进一步探索和利用视觉信息处理的神经基础。 此外，本研究中展示的方法和发现对于其他神经科学研究也具备广泛的应用潜力，尤其是在研究复杂脑网络及其功能性联系方面。总体而言，通过揭示视觉系统细致的功能域组织，该研究为科学家和临床医生提供了重要的基础数据和研究工具。