大腦是一個極其復雜和活躍的器官，它利用電力和化學物質在其子區域之間傳輸和接收信號。

研究人員探索了各種技術來直接或間接測量這些信號，以更多地了解大腦。例如，功能磁共振成像(fMRI)使他們能夠通過與血流相關的變化來檢測大腦活動。

北卡羅來納大學 生物醫學研究成像中心副主任、學教授Yen-Yu Ian Shih博士和他的實驗室成員長期以來一直對大腦中的神經化學物質如何調節和影響神經活動、血流以及隨后的功能磁共振成像測量感到好奇在大腦中。該實驗室的一項新研究證實了他們的懷疑，即功能磁共振成像的解釋并不像看起來那么簡單。

“在解釋功能磁共振成像數據時，很少考慮向血管發出的神經化學信號，”同時領導 動物磁共振成像中心的施說。“在我們對嚙齒動物模型的研究中，我們發現神經化學物質除了向典型腦細胞發出眾所周知的信號作用外，還向血管發出信號，這可能對功能磁共振成像測量有重大貢獻。”

他們的研究結果 發表 在 《自然通訊》上，源于 美國國立衛生研究院和北卡羅來納大學投資的 380 萬美元撥款，用于支持生物醫學研究所安裝 和 升級 兩個 9.4 特斯拉動物 MRI 系統和一個 7 特斯拉人體 MRI 系統影像中心。

當特定大腦區域的神經元活動增加時，該區域的血流量和氧氣水平會增加，通常與神經活動的強度成正比。研究人員決定利用這種現象來發揮自己的優勢，并最終開發出功能磁共振成像技術來檢測大腦中的這些變化。

多年來，這種方法幫助研究人員更好地了解大腦功能，并影響他們對人類認知和行為的了解。然而，施實驗室的新研究表明，這種既定的神經血管關系并不適用于整個大腦，因為不同大腦區域的細胞類型和神經化學物質有所不同。

Shih 的團隊專注于紋狀體(大腦深處涉及認知、動機、獎勵和感覺運動功能的區域)，以確定大腦區域中某些神經化學物質和細胞類型可能影響功能磁共振成像信號的方式。

在他們的研究中，Shih 的實驗室使用基于光的技術控制嚙齒動物大腦的神經活動，同時測量電、光、化學和血管信號以幫助解釋功能磁共振成像數據。然后，研究人員通過向大腦注射不同的藥物來操縱大腦的化學信號，并評估這些藥物如何影響功能磁共振成像反應。

他們發現，在某些情況下，紋狀體的神經活動增加，但血管收縮，導致功能磁共振成像負信號。這與紋狀體中的內部阿片類信號傳導有關。相反，當另一種神經化學物質多巴胺在紋狀體中占主導地位時，功能磁共振成像信號呈陽性。

“我們發現了幾個例子，紋狀體中的功能磁共振成像信號看起來與預期的完全不同，”施說。“重要的是要注意潛在的神經化學信號傳導，這些信號傳導可以同時影響血管或血管周圍細胞，可能會掩蓋由神經活動觸發的功能磁共振成像信號變化。”

Shih 實驗室的成員，包括第一作者和共同作者 Dominic Cerri 博士和 Lindsey Walton 博士，前往英國蘇塞克斯大學，在那里他們能夠進行實驗并進一步證明阿片類藥物的血管效應。

他們還在北卡羅來納大學的 7-特斯拉 MRI 系統中收集了人類功能磁共振成像數據，并與斯坦福大學的研究人員合作，利用經顱磁刺激(一種利用磁場刺激人腦的程序)探索可能的發現。

通過更好地了解功能磁共振成像信號，基礎科學研究人員和醫師科學家將能夠更準確地了解健康大腦以及神經系統和神經精神疾病的神經活動變化。