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港大科學家利用創新神經影像學技術解構複雜大腦網絡
推動大腦研究和疾病治療

2017年01月26日

 

由香港大學電機電子工程系吳學奎教授領導的研究小組，成功利用一種創新神經影像學技術來研究複雜的大腦網絡及其功能，研究結果最近在國際權威學術期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表。

該團隊首次成功利用並結合了兩種先進技術 ─ 光遺傳學（optogenetics）和磁共振功能成像（fMRI）以追蹤大腦神經活動的動態性傳播。

光遺傳學技術是新研發的前沿技術，通過光的刺激，起動或關停腦細胞活動，藉以了解某些腦細胞或腦區的功能，應用在病理學上可測試出那些腦細胞出了問題。磁共振功能成像（fMRI）是一種大視野的非入侵性成像技術，可用作大規模追蹤腦神經活動的動態性傳播形態。吳教授的團隊一直是全球fMRI研究領域中的先驅團隊，尤其在視覺、聽覺功能以及腦功能連接方面的研究。

團隊結合兩種先進技術，用光刺激特定的腦細胞組織，再全面地追蹤腦神經活動的傳播模式和交互動態，在囓齒類動物（大鼠）的實驗中，發現一些腦組織未為人知的功能和運作方式，使科學家在揭開大腦的奧秘上跨進了一步。而進一步利用神經影像學技術去探索大腦，將有助了解一些腦神經疾病，例如自閉症、認知障礙症（失智症/痴呆症）和精神分裂症等的成因。為這些疾病的早期診斷及開拓治療方案帶來新希望。

大腦皮層是神經系統的最高級中樞.，分為左右兩個半球，功能上互有分工。丘腦一直被視爲感覺或肢體活動訊息傳遞的中轉站。因此，丘腦和大腦皮層之間的神經網絡連接，是大腦中最普遍的神經網絡之一，負責許多關鍵功能，例如五觀感知、產生有意義的動作行為和調節睡眠 - 醒覺週期等等。很多大腦的病理，已知與這些網路出現異常有關。

吳教授的團隊發現，丘腦和皮層之間的功能連接，比過往研究發現的可能更廣泛和複雜。丘腦和皮層之間的連接一直被認爲是一一對應的模式 (例如，體感丘腦連接體感皮層，聽覺丘腦連接聽覺皮層)，研究團隊以光基因刺激老鼠的體感丘腦，發現不但可以激活體感皮層，同時亦激活了與體感丘腦連接較少的視覺、聽覺和扣帶皮層，而這種現象只在低頻而不是高頻率的光基因刺激下發生。

研究結果表明，低頻丘腦刺激可以增強視覺處理和大腦連通性，顯示丘腦並非只是一個被動的腦區或訊息中轉站，而是能夠在不同頻率的神經性刺激下，啟動某些更廣泛遍及整個大腦的神經性活動。

大腦主宰了人類的思想、情感、感知、行動和記憶。雖然大腦只佔人體重量的2％，它的活動卻消耗了全身約20％的能量需求。儘管重要，它卻是人體中最不被了解的器官之一。而21世紀神經科學的一個巨大挑戰，便是要全面理解大規模的全腦互動，特別是具有功能性或與行為有關的神經活動模式。

2013年，美國奧巴馬政府啟動了BRAIN計劃，目標是「加速新技術的開發和應用，使研究人員能夠與思想的速度同步，捕捉大腦活動的動態圖像，以了解個別腦細胞和複雜的神經迴路間的互動情況」。2016年11月，中國啟動「中國腦計劃」，旨在促進對認知的基礎神經迴路機制的研究，以期改善腦疾病的診斷和干預，促進以大腦啟發的智能技術的發展。

隨著新神經技術的出現和利用，吳教授的團隊希望他們的研究結果能激發進一步的努力，揭視複雜的大規模大腦網絡，創建一個全面的大腦連接圖。此外，依靠神經調節技術的巨大潛力，隨著對大腦功能連接的更進一步了解，可望解決一些迫切的神經相關疾病，例如自閉症、認知障礙症（失智症/痴呆症）等。

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