本文為香港大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程終身講座教授兼院長吳學(xué)奎博士的訪談記錄。

問：光遺傳學(xué)fMRI激活區(qū)域可能具有極高的靶向性。這一特異性有何優(yōu)勢？

答：光遺傳學(xué)fMRI捕獲的高度特異性腦激活區(qū)域是光遺傳學(xué)調(diào)制區(qū)域啟動的神經(jīng)活動隨后會傳播到的下游目標(biāo)。這種特異性是由許多因素共同決定的，這些因素主要包括：I）病毒表達、光遺傳調(diào)制設(shè)計范式，以及局部神經(jīng)元集群的反應(yīng)特性；II）所啟動的神經(jīng)活動的強度和時間特性；III）光遺傳學(xué)擾動期間在多個尺度上發(fā)生的自發(fā)活動；IV）刺激位點與下游目標(biāo)之間結(jié)構(gòu)連接的直接性、密度和驅(qū)動/調(diào)制特性；V）刺激位點與下游目標(biāo)之間的功能連通性的動力學(xué)，以及VI）fMRI數(shù)據(jù)采集（即系統(tǒng)、設(shè)置、順序等）和分析方法。光遺傳學(xué)fMRI可通過具有細胞類型特異性的、時空精確的、可逆的神經(jīng)活動啟動/操縱，同時利用多功能成像設(shè)計讓大規(guī)模反應(yīng)可視化，將精確控制的實驗與靈活的數(shù)據(jù)顯示相結(jié)合，幫助研究長距離功能神經(jīng)回路/網(wǎng)絡(luò)的各種特性以及神經(jīng)活動的大規(guī)模時空協(xié)調(diào)。

問：雖然某些神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)范圍非常小，但特定的光遺傳學(xué)刺激會誘使發(fā)生全腦反應(yīng)。我們可在什么時間點發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)，它們有何作用？

答：大腦是一個非凡的生物信息處理系統(tǒng)，由許多神經(jīng)元集群組成，這些神經(jīng)元集群連接到特定功能的回路和網(wǎng)絡(luò)中。在現(xiàn)時任務(wù)或休息期間，大腦通過局部回路及/或全腦網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)不同時空尺度的各種神經(jīng)活動，以執(zhí)行各種功能。通過恰當(dāng)刺激神經(jīng)元集群表現(xiàn)出全腦長距離投射，或者啟動能在全腦傳播的低頻活動，可顯示全腦反應(yīng)。這些全腦反應(yīng)可反映神經(jīng)元集群或受刺激位點神經(jīng)活動的多個下游目標(biāo)的募集。在全局大腦狀態(tài)的動態(tài)切換、全腦功能網(wǎng)絡(luò)通信的選擇性調(diào)制、分布式信息存儲與組織的門控等方面，這些全腦反應(yīng)發(fā)揮著重要作用。

問：某些fMRI研究是否難以或根本無法使用普通刺激方法而開展？

答：目前，采用普通光遺傳學(xué)刺激方法，無法模擬經(jīng)歷多感官環(huán)境或自然景物的受試者的大腦反應(yīng)。由于分辨率受到亞毫米級光纖直徑的限制，因而很難執(zhí)行多位點操作，也無法實現(xiàn)單細胞層面的精確光遺傳學(xué)擾動。常見的利用重復(fù)方脈沖刺激的刺激范式設(shè)計也限制了光遺傳學(xué)fMRI研究在檢查自然情況下引發(fā)的更多生理反應(yīng)方面的應(yīng)用。同時，鑒于神經(jīng)元集群的閉環(huán)刺激，我們需要以毫秒級時間分辨率，實時監(jiān)測局部神經(jīng)元活動，以確定局部神經(jīng)元集群或網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)狀態(tài)，但這一點很難通過普通刺激方法來完成。

問：光遺傳學(xué)fMRI主要是一種臨床前技術(shù)。利用該方法獲得的研究成果如何轉(zhuǎn)化為臨床相關(guān)性？

答：健康對照組的光遺傳學(xué)fMRI研究成果可幫助我們增進對正常大腦工作方式的了解，并推動臨床應(yīng)用fMRI/神經(jīng)成像方法的發(fā)展。同時，正常模型與疾病模型之間光遺傳學(xué)fMRI結(jié)果的差異可引導(dǎo)我們開發(fā)診斷技術(shù)，并闡明疾病的潛在機制。此外，針對疾病模型的光遺傳學(xué)fMRI研究成果可用于引導(dǎo)開發(fā)治療干預(yù)方案。

問：我們還需要走多遠才能從細胞層面了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運作機制？

答：目前，fMRI無法實現(xiàn)細胞級空間分辨率，然而，未來幾年，利用多方面的技術(shù)發(fā)展成果，我們將能夠從細胞層面檢查神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。首先，通過使用尖端多功能遺傳工具，并結(jié)合fMRI對神經(jīng)回路進行細胞級操縱，我們開始獲得從細胞層面檢查神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擾動結(jié)果的絕佳機會。其次，通過將細胞級分辨率光學(xué)成像與光遺傳學(xué)fMRI相結(jié)合，將有助于加深我們對細胞級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的了解。第三，隨著精密光遺傳學(xué)刺激方法（例如，全息刺激）的近期及持續(xù)發(fā)展，我們將能夠?qū)崿F(xiàn)細胞級光遺傳學(xué)刺激，同時通過全腦fMRI成像，使相應(yīng)結(jié)果可視化。