一项研究显示,随着年龄的增长,大脑功能的某些方面发生变化,揭示了大脑中的兴奋性过程减少,而抑制性过程增加。这些发现是理解自闭症等疾病的重要一步。
一项新的研究显示,随着年龄的增长,大脑功能的某些方面发生变化,揭示了大脑中的兴奋性过程减少,而抑制性过程增加。这些发现是理解自闭症等障碍的重要一步。
大脑功能基于兴奋性过程(使脑细胞放电)和抑制性过程(停止脑细胞放电)之间的微妙平衡——这被称为E-I平衡。通常,要测量这一点,需要在大脑中植入传感器(这需要实验性手术,因此不能在人类中常规进行)。在这项新研究中,发表在《成像神经科学》上的科学家们展示了可以使用一种新型的可穿戴脑扫描仪进行测量。
来自诺丁汉大学物理与天文学学院和多伦多儿童医院(SickKids)的研究人员扫描了101名年龄在2到34岁之间的健康儿童和成人的大脑。使用一种可穿戴设计的脑磁图(MEG)扫描仪,研究团队能够测量在依赖兴奋性和抑制性输入的脑电路中生成的高频脑波(称为伽玛波)。研究人员表明,伽玛波随着年龄的变化显著改变,儿童中呈现低振幅的宽带波,而成年人中则呈现高振幅的窄带波。
通过对测量的伽玛波进行生物物理模型分析,研究团队能够将他们的发现转化为E-I平衡的测量,表明随着儿童年龄的增长,兴奋性过程减少,而抑制性过程增加。这一发展轨迹对于健康的大脑发展至关重要,并且在有精神疾病的较大儿童和成年人中被理解为非典型。这为理解自闭症等疾病提供了一个基准(在典型发育的幼儿中)。
精神疾病是由于大脑功能非典型引起的,可以通过一系列脑成像技术进行测量,如磁共振成像(MRI)、脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)。然而,儿童疾病可以在生命的早期(2-4岁)出现,但目前对如此年轻的儿童进行大脑功能研究的方法有限。
这种可穿戴脑扫描仪基于量子技术,使用LEGO砖大小的传感器——称为光泵磁力计(OPMs)——这些传感器被纳入轻便的头盔中,用于测量大脑活动产生的磁场。这一独特的设计意味着系统可以适应任何年龄段,包括非常年轻的儿童。该系统只需几秒钟即可设置,儿童在扫描期间可以自由移动。因此,它非常适合扫描儿童。
诺丁汉大学彼得·曼斯菲尔德成像中心的马修·布鲁克斯教授主导了这一新技术的开发,该技术现由诺丁汉创办的公司Cerca Magnetics在全球范围内安装,他说:“量子技术彻底改变了脑成像的可能性。十年前,测量非常年轻儿童在自由移动时的MEG信号,同时佩戴本质上是帽子的设备,似乎是科幻小说。现在,这已经成为可能,并开启了新可能的世界——特别是与生命早期发育中的大脑相关。”
多伦多儿童医院自闭症研究负责人,神经科学家玛戈特·泰勒博士表示:“OPM技术使我们能够完成原本无法进行的年轻儿童研究。我们能够在一岁的小孩中获得极好的数据;我们的下一个前沿是让出生以来的新生儿也取得同样的成功。我们期待这些研究能让我们更好地理解神经发育障碍的早发,这将有助于未来对儿童的照顾。”
这项研究由娜塔莉·罗兹博士领导,她在诺丁汉大学完成本科学习和研究生学习后,移居多伦多继续她的科学事业。她说:“就像一个调谐良好的管弦乐队,我们的大脑依赖于信号的微妙平衡。我们现在有一种方法来测量这种平衡如何从幼年时期变化到成年,并可以利用这一点更好地理解自闭症等条件中的发育差异。我们知道,大脑信号的不平衡与神经发育疾病相关,但到目前为止,我们还没有合适的方法来测量年轻儿童的大脑功能。利用OPM技术,我们现在可以以前所未有的精度研究非常年轻儿童的大脑功能。”
诺丁汉大学于2020年推出Cerca Magnetics以商业化OPM-MEG扫描仪及相关技术。这一可穿戴系统已在全球多个知名研究机构安装,包括多伦多的SickKids医院,目前研究中大约一半的志愿者在这里进行了扫描。这两个机构的研究团队正在共同努力,扩展健康和非典型大脑群体中神经发育数据的范围和深度。
该研究得到了健康影响合作伙伴关系拨款的支持,由英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)授予。作者还希望感谢英国量子技术项目,特别是传感器成像和定时量子中心(QuSIT)。SickKids的工作得到了西蒙斯基金会自闭症研究倡议(SFARI;2021年)和加拿大健康研究院(CIHR)的支持。