精密测量院基于基因编码生物磁共振成像技术实现特异类型神经元脑网络的活体成像

　　近日，精密测量院徐富强研究团队基于新型基因编码生物磁共振成像技术，首次实现特异类型神经元网络的在体检测。相关成果在影像学顶级期刊《神经影像》(Neuroimage)上发表。  

　　大脑包含上千亿个神经元，通过数以万亿个突触建立起复杂的神经网络用于细胞间通信。神经网络的复杂性对于处理大脑中的信息和指导行为至关重要。因此，神经连接的阐明和可视化对于解析大脑功能和疾病至关重要。基于病毒的脑网络示踪技术在研究不同脑区之间的网络连接及其相互作用具有重要的作用。然而，大多数病毒示踪系统依赖于光学成像，因此主要是应用于脑片水平的网络检测，但在活体水平检测全脑神经网络仍具有挑战性。

　　精密测量院徐富强、王杰课题组，长期聚焦于整合磁共振成像和病毒示踪等多模态技术研究睡眠剥夺或疼痛诱发的脑损伤及后期脑保护机制，并建立起一系列新技术用于临床及临床前研究。近年来课题组在该领域取得了一系列高水平成果，包括建立新型基因编码生物磁共振成像技术，并用于脑网络与胶质细胞的在体检测（Molecular Psychiatry-2022；Neuroimage-2022&2019; Human Brain Mapping-2021）；系统整合电生理、病毒示踪、膜片钳、代谢动力学及磁共振成像等技术研究脑损伤及后期的脑保护机制（PNAS，2013；Neuroscience Bulletin-2022&2020；Molecular Neurobiology-2022；Transl Psychiat-2021等）；基于磁共振成像技术及影像组学探索临床相关脑疾病的脑结构与脑功能异常，为后期临床治疗提供理论依据（Journal of Clinical Investigation-2021；JCI insight-2021等）。团队自2016年起，在徐富强、王杰的带领下，率先建立一种新型基因编码生物磁共振成像技术。首先制备了嵌合Ferritin基因和EGFP荧光蛋白基因的新型VSV病毒工具，率先实现了基于全脑组织水平检测特定脑区的脑网络（Neuroimage，2019）。但由于VSV的高毒性，该工具无法实现活体成像。鉴于此，团队又利用低毒的重组腺相关病毒（rAAV），制备嵌有Ferritin和EGFP融合基因的新型工具病毒，实现了特定脑区的全脑结构网络连接在体检测，成像时间为病毒感染60天后（Human Brain Mapping, 2021）。为突破成像时间的瓶颈，团队另辟蹊径，基于磁敏感探针（水通道蛋白1-AQP1）制备新型病毒工具，最终实现了星形胶质细胞（Molecular Psychiatry，2022）和特异类型神经元网络的活体成像（Neuroimage, 2022）。

　　在该研究中，研发团队基于具有逆行能力的rAAV，rAAV2-retro，利用新型MRI 报告基因—编码人类水通道的AQP1蛋白标记脑网络，开发出一系列新型工具病毒，然后基于无金属辅助的磁共振成像技术实现在体的全脑神经网络检测。团队首先在小鼠CPU脑区微量注射病毒rAAV-retro-AQP1-EGFP，三周后利用扩散加权MRI（DWI）进行在体检测。结果发现大脑内多个脑区均可见磁共振信号的变化，包括CPU、Ctx、BLA、Ins、Tha和HIP等脑区，成功实现特定脑区相关脑网络的快速成像（60天提升至21天）。项目同时结合Cre-loxP系统，制备表达Cre依赖性AQP1相关工具病毒rAAV-retro-DIO-AQP1-EGFP用于活体检测特定脑区特定神经元类型的脑网络。因此，本项目最终建立了一种灵敏的、基于无金属MRI的研究策略，用于活体检测大脑内细胞类型特异性神经连接，这为啮齿动物和非人类灵长类动物中神经网络的可视化研究提供了坚实的基础。

rAAV-retro-Dio-AQP1-EGFP的工具病毒示意图及其用于活体标记特异类型神经元网络的MRI成像结果及荧光成像对比分析图

相关研究成果以“A novel technology for in vivo detection of cell type-specific neural connection with AQP1-encoding rAAV2-retro vector and metal-free MRI”为题发表在学术期刊Neuroimage上，精密测量院博士后郑宁和深圳先进院博士后李梅（现就职于佛山市第一人民医院）为该文章的共同第一作者，王杰为通讯作者。

该项目获得国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811922005195