光遗传学功能磁共振成像（fMRI）

光遗传学fMRI激活区域可能具有极高的靶向性。这一特异性有何优势？

光遗传学fMRI捕获的高度特异性脑激活区域是光遗传学调制区域启动的神经活动随后会传播到的下游目标。这种特异性是由许多因素共同决定的，这些因素主要包括：I）病毒表达、光遗传调制设计范式，以及局部神经元集群的反应特性；II）所启动的神经活动的强度和时间特性；III）光遗传学扰动期间在多个尺度上发生的自发活动；IV）刺激位点与下游目标之间结构连接的直接性、密度和驱动/调制特性；V）刺激位点与下游目标之间的功能连通性的动力学，以及VI）fMRI数据采集（即系统、设置、顺序等）和分析方法。光遗传学fMRI可通过具有细胞类型特异性的、时空精确的、可逆的神经活动启动/操纵，同时利用多功能成像设计让大规模反应可视化，将精确控制的实验与灵活的数据显示相结合，帮助研究长距离功能神经回路/网络的各种特性以及神经活动的大规模时空协调。

虽然某些神经元神经网络范围非常小，但特定的光遗传学刺激会诱使发生全脑反应。我们可在什么时间点发现这些反应，它们有何作用？

大脑是一个非凡的生物信息处理系统，由许多神经元集群组成，这些神经元集群连接到特定功能的回路和网络中。在现时任务或休息期间，大脑通过局部回路及/或全脑网络，协调不同时空尺度的各种神经活动，以执行各种功能。通过恰当刺激神经元集群表现出全脑长距离投射，或者启动能在全脑传播的低频活动，可显示全脑反应。这些全脑反应可反映神经元集群或受刺激位点神经活动的多个下游目标的募集。在全局大脑状态的动态切换、全脑功能网络通信的选择性调制、分布式信息存储与组织的门控等方面，这些全脑反应发挥着重要作用。

某些fMRI研究是否难以或根本无法使用普通刺激方法而开展？

目前，采用普通光遗传学刺激方法，无法模拟经历多感官环境或自然景物的受试者的大脑反应。由于分辨率受到亚毫米级光纤直径的限制，因而很难执行多位点操作，也无法实现单细胞层面的精确光遗传学扰动。常见的利用重复方脉冲刺激的刺激范式设计也限制了光遗传学fMRI研究在检查自然情况下引发的更多生理反应方面的应用。同时，鉴于神经元集群的闭环刺激，我们需要以毫秒级时间分辨率，实时监测局部神经元活动，以确定局部神经元集群或网络的动态状态，但这一点很难通过普通刺激方法来完成。

光遗传学fMRI主要是一种临床前技术。利用该方法获得的研究成果如何转化为临床相关性？

健康对照组的光遗传学fMRI研究成果可帮助我们增进对正常大脑工作方式的了解，并推动临床应用fMRI/神经成像方法的发展。同时，正常模型与疾病模型之间光遗传学fMRI结果的差异可引导我们开发诊断技术，并阐明疾病的潜在机制。此外，针对疾病模型的光遗传学fMRI研究成果可用于引导开发治疗干预方案。

我们还需要走多远才能从细胞层面了解神经网络的运作机制？

目前，fMRI无法实现细胞级空间分辨率，然而，未来几年，利用多方面的技术发展成果，我们将能够从细胞层面检查神经网络。首先，通过使用尖端多功能遗传工具，并结合fMRI对神经回路进行细胞级操纵，我们开始获得从细胞层面检查神经网络扰动结果的绝佳机会。其次，通过将细胞级分辨率光学成像与光遗传学fMRI相结合，将有助于加深我们对细胞级神经网络的了解。第三，随着精密光遗传学刺激方法（例如，全息刺激）的近期及持续发展，我们将能够实现细胞级光遗传学刺激，同时通过全脑fMRI成像，使相应结果可视化。

大脑是一个非凡的生物信息处理系统。

我们将能够实现细胞级光遗传学刺激，同时通过全脑fMRI成像，将相应结果可视化。

吴学奎教授

吴博士是香港大学生物医学工程终身讲座教授兼院长。他于1984年在天津大学获得电气工程学士学位，1988年在威斯康星大学麦迪逊分校获得医学物理学硕士学位，并于1993年在加州大学欧文分校获得放射科学博士学位。从1990年到2003年，吴博士在纽约哥伦比亚大学，先后担任助理教授，以及放射与生物医学工程副教授。吴博士于2003年加入香港大学。他的研究兴趣包括核磁共振生物物理学、重建算法、高级生物医学应用和无障碍医疗系统工程（www4.hku.hk/bislab/）。目前，他的主要研究重点之一是通过将功能、扩散和光谱MRI与电生理学、行为评估和神经调控方法（例如，光遗传学）相结合，开发最先进的功能MRI方法，以探测啮齿动物模型中的脑回路及功能。吴博士是ISMRM院士、IEEE会士和AIMBE院士。自2011年起，吴博士开始担任《生物医学核磁共振》（NBM）亚太区编辑。