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中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心梁智鋒研究組與徐敏研究組合作，建立了清醒小鼠光遺傳fMRI（opto-fMRI）實(shí)驗(yàn)范式，并利用這一方法揭示了基底前腦（BF）四類神經(jīng)元（VGLUT2、ChAT、PV、SOM）細(xì)胞類型特異性調(diào)制的全腦BOLD激活及相應(yīng)的行為學(xué)偏好。此外，該研究通過(guò)解碼模型將BF調(diào)制的BOLD激活、低維腦網(wǎng)絡(luò)和行為偏好聯(lián)系起來(lái)，揭示了小鼠行為偏好的潛在功能網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。2月15日，相關(guān)研究成果以Cell-type specific optogenetic fMRI on basal forebrain reveals functional network basis of behavioral preference為題，發(fā)表在《神經(jīng)元》（Neuron）上。BF是在解剖學(xué)及神經(jīng)化學(xué)基礎(chǔ)上高度復(fù)雜的腦區(qū)，對(duì)較多腦功能起到重要的調(diào)節(jié)作用。雖然多數(shù)研究聚焦于BF膽堿能（ChAT）神經(jīng)元對(duì)功能網(wǎng)絡(luò)及行為的影響，但BF內(nèi)大部分神經(jīng)元為非膽堿能，且對(duì)功能網(wǎng)絡(luò)及行為具有調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，之前研究多局限于小范圍的環(huán)路水平，少有研究在全腦尺度直接觀察并比較BF不同類型神經(jīng)元對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)行為的調(diào)節(jié)作用。該研究建立了9.4T下清醒小鼠opto-fMRI實(shí)驗(yàn)范式。使用這一方法，該研究表征了光遺傳誘發(fā)的BF細(xì)胞特異性神經(jīng)元激活產(chǎn)生的全腦BOLD響應(yīng)。進(jìn)一步，研究結(jié)合之前發(fā)表的BF的細(xì)胞特異性一級(jí)投射結(jié)果，發(fā)現(xiàn)一級(jí)投射分布與BOLD激活的空間相似性較低，提示細(xì)胞特異性BOLD激活不僅僅由BF四類神經(jīng)元的一級(jí)投射所貢獻(xiàn)。研究推測(cè)，BF起源的二級(jí)投射主導(dǎo)上述BOLD激活。研究將包含BF起源的一級(jí)、二級(jí)投射矩陣進(jìn)行非負(fù)矩陣分解（NMF），得到6個(gè)低維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（即NMF成分），同時(shí)，發(fā)現(xiàn)低維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠很好地解釋BF四類神經(jīng)元的BOLD激活，說(shuō)明BF起源的二級(jí)投射主要貢獻(xiàn)了上述BOLD激活。同時(shí)，該研究使用與opto-fMRI相同的光遺傳刺激范式對(duì)小鼠進(jìn)行自由移動(dòng)條件下的行為學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)BF四類神經(jīng)元激活引起不同的內(nèi)/外在導(dǎo)向行為偏好。其中，VGLUT2、ChAT及PV神經(jīng)元激活分別偏好運(yùn)動(dòng)行為、新物體探索及梳理毛發(fā)行為。研究假定，光遺傳激活引起的全腦激活圖與小鼠行為引起的全腦激活圖，可由相同的NMF低維腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)?；谶@一假設(shè)，研究構(gòu)建了新型解碼模型，以BF光遺傳引起的激活圖在NMF空間特征向量作為自變量，以BF光遺傳引起的行為學(xué)結(jié)果作為因變量，預(yù)測(cè)出四類行為在NMF低維空間中的特征向量。結(jié)合低維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)空間分布圖，研究構(gòu)建了小鼠行為學(xué)引起的全腦激活圖。進(jìn)一步，研究開(kāi)展了同時(shí)行為監(jiān)測(cè)的fMRI實(shí)驗(yàn)及自由移動(dòng)行為的鈣光纖記錄實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述預(yù)測(cè)的行為全腦激活圖的可靠性。該研究建立了清醒小鼠opto-fMRI實(shí)驗(yàn)范式，并利用這一方法揭示了BF四類神經(jīng)元調(diào)制的細(xì)胞類型特異性的全腦BOLD激活及相應(yīng)的行為學(xué)偏好；構(gòu)建了新型解碼模型，將核磁內(nèi)的BOLD激活與核磁外的行為偏好聯(lián)系起來(lái)，揭示了小鼠行為的背后潛在的功能網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，為從全腦角度探究小鼠行為提供了新視角。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、臨港實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)的資助，并獲得腦智卓越中心腦影像中心MRI平臺(tái)、腦科學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算中心和實(shí)驗(yàn)鼠房的支持。基于清醒小鼠光遺傳fMRI揭示BF細(xì)胞類型特異性的行為偏好及其功能網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。光遺傳激活BF四類神經(jīng)元引起細(xì)胞類型特異性的全腦激活及相應(yīng)的行為偏好。新型解碼模型將BF調(diào)制的BOLD激活、低維腦網(wǎng)絡(luò)和行為偏好聯(lián)系起來(lái)，預(yù)測(cè)出小鼠行為學(xué)引起的全腦激活圖。