韩国基础科学研究所（IBS）神经科学研究中心（CNIR）正在开发新的神经影像方法，以探索生物物理学、生理学和生物学，并使用新型工具进行动物和人类脑研究。CNIR主任兼领导者金圣基博士希望超越简单理解神经过程；他的目标是深入探究其背后的因果关系。他致力于理解特定神经反应背后的原因及影响因素。这种对复杂机制和关系的好奇心是他领导磁共振成像（MRI）研究的核心动力，尤其侧重于临床应用。
金博士表示：“我的背景是人类功能性磁共振成像（fMRI），我希望能够理解fMRI信号的影响因素。我们希望通过fMRI解决以前未被解答的问题，从相关性转向因果关系。例如，如果你使用fMRI看到一个活跃区域，是什么驱动了这种特定活动？我们正在开发工具来理解这一点。”
功能性磁共振成像（fMRI）是一种非侵入性的方法，用于评估与神经活动相关的血流波动。超高场（UHF）MRI提高了fMRI的灵敏度，使研究人员能够更精确地绘制对特定刺激或任务的神经活动图谱。这种能力有助于研究脑功能，并调查支持不同认知过程的神经网络。
金博士及其团队利用布鲁克BioSpin的尖端技术，在UHF MRI领域处于领先地位，主要目标是开发评估脑生理和功能的新方法。MRI是世界上最具威力和动态的神经影像工具之一，可以非侵入性地测量脑结构、生理和功能，具有高空间和时间分辨率。CNIR的功能神经血管映射团队设计了高分辨率MRI和光学成像方法，用于识别对外部刺激（如光遗传学和电刺激）的神经或血液动力学反应，并绘制动物和人类的功能活动图谱。
两种关键方法被采用：使用UHF MRI和宽视场光学的宏观和中观尺度功能成像，以及使用多光子显微镜在健康和疾病中的微观尺度映射。金博士表示：“我们希望为神经科学家提供大幅增强研究的工具。我们的目标是提供他们从未见过的信息。通过提供整体视图，我们可以帮助科学家详细找到他们寻找的信息，确定最可能是神经病理的基础机制或来源，并决定下一步行动。”
研究团队包括高级MR神经成像和神经血管耦合单元。高级MR神经成像团队利用超高的磁场（7特斯拉用于人类，9.4特斯拉和15.2特斯拉用于动物），专注于开发超高分辨率fMRI、层特异性fMRI以及结合低氧/高碳酸血症挑战的动态血氧水平依赖（BOLD）MRI。这些fMRI方法与细胞类型特异性光遗传学、化学遗传学或电调制结合，用于识别健康和患病动物中的神经回路。例如，金博士及其同事利用fMRI与光遗传神经操作相结合，实现全脑有效功能网络的映射。这包括小鼠光遗传功能性磁共振成像（opto-fMRI）。
神经血管耦合团队利用细胞分辨率光学成像方法，探索神经元、胶质细胞和血管系统之间的关系，开发治疗阿尔茨海默病、癫痫和脑癌等神经系统疾病的新疗法。在这些疾病中，外周引入的免疫细胞相互作用和大脑内部的先天性胶质细胞在病理发展中有重要作用。尽管金博士的职业生涯始于人类研究，但近年来他的工作集中在临床前动物研究上，以更好地理解人类研究中记录的因果关系。
通过在动物模型中研究疾病进展和治疗效果，可以学到新的潜在治疗靶点，从而为人类临床试验提供指导。金博士认为，揭示疾病的根本原因是医学研究和医疗保健的关键部分。这项研究对开发有效的治疗方法、预防策略和公共卫生计划有深远影响，可以改善患者预后，促进人口健康。
金博士解释说：“我想回到基础，理解发生了什么。人类观察性研究中的干预程度较低，所以我回到动物研究中，回答为什么会出现某些现象。这就是fMRI在这方面真正受益的地方，你可以沉默一部分动物的大脑或激活另一部分，以观察变化，确定观察结果的因果关系。”
在临床前动物研究中，MRI使研究人员能够获得小动物（如啮齿类动物）大脑解剖结构的详细和高分辨率图像。这种方法可以精确可视化不同的脑区及其连接，提高对神经回路和脑组织的理解。然而，获得高空间分辨率的啮齿类动物成像在技术上具有挑战性，需要专门的硬件和脉冲序列。为了减少成像过程中运动的影响，啮齿类动物通常会被麻醉，但这可能会影响大脑功能并影响研究结果。虽然啮齿类动物模型在神经科学研究中很常见，但它们的研究结果并不总能直接应用于人类，因为存在物种差异。
金博士及其团队利用UHF MRI克服这些问题，通过提高多种成像方法的灵敏度，使研究人员能够更精确地探索大脑活动和特定分子过程。更高的磁场强度可以提高灵敏度，这对于高分辨率成像至关重要。UHF MRI还使得化学交换敏感MRI或光谱学研究成为可能，研究人员可以通过此方法评估大脑中某些神经化学物质的浓度，从而为神经系统疾病和大脑功能提供重要见解。
为了实现小鼠皮层神经兴奋的时空可编程控制，金博士及其团队将由数字微镜设备产生的光遗传刺激通过光纤束集成到MRI扫描仪中。基于图谱的全脑有效连通性通常与解剖定义的轴突追踪数据一致，但受选择性作用于某些连接的麻醉剂影响。
使用fMRI与灵活的光遗传学结合，可以为在同一动物中研究功能脑状态的动态变化提供途径，通过高通量全脑有效连通性映射。金博士解释说：“尽管仍然存在物种差异，但在啮齿类动物研究中使用UHF MRI可能会比低场强产生更有意义的结果，弥合临床前和临床研究之间的差距。UHF MRI在动物模型中的研究可以为基本脑功能提供有价值的见解，指导人类神经影像研究，并增进我们对人类脑网络和认知的理解。”
金博士的UHF MRI研究所得教训也可以转化为临床环境，特别是用于药物开发和个性化治疗的潜在治疗靶点的识别。临床前UHF MRI研究可以在进入人类临床试验之前评估潜在治疗干预的有效性，优化治疗方案并识别更有可能在人类中有效的治疗药物。该方法还可以检测与疾病进展和治疗反应相关的特定生物标志物，有助于诊断早期阶段的神经系统疾病并在临床环境中监测疾病进展。
金博士说：“这些工具对基础研究很有用，但它们也需要足够简单，以便在临床环境中用于人类。确定疾病的根源可以开发针对性更强、更有效的治疗方法。治疗病因而不是仅仅管理症状可以带来更好的结果，甚至可能治愈疾病。”
他们的fMRI研究包括使用BOLD对比度在人类和动物中绘制脑激活图谱。非侵入性脑灌注图谱对于理解神经血管和神经退行性疾病也很重要。然而，由于小鼠体积较小，全脑研究中的灌注MRI方法难以实施。这种非侵入性、可重复、简单的低氧BOLD-MRI方法能够在啮齿类动物中进行灌注图谱绘制。此外，它具有临床应用潜力，包括认知神经科学、心理学和临床研究领域，以改善对脑疾病、认知过程和多种功能的神经机制的理解。
金博士解释说：“BOLD成像已经彻底改变了脑功能研究，因为它允许研究人员在活体中非侵入性地研究脑活动。当特定脑区变得活跃时，为了支持增加的神经活动，对氧气和营养的需求增加。相应地，流向该区域的血流量增加以满足需求。然而，血流量的增加速度高于氧气消耗量的增加速度。因此，血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的比例发生变化，导致氧合血红蛋白浓度增加。MRI扫描仪通过测量血红蛋白的磁性特性检测这些血氧水平的变化。这种方法已在广泛的动物研究中得到应用，并在人类中得到广泛应用，但在超高中磁场下，其特异性和灵敏度得到了显著提升。”
在长期从事fMRI研究期间，金博士使用过多个供应商的工具。他对布鲁克超高场BioSpec工具的兴趣源于该公司声誉及其生产最高质量的商用临床前MRI工具。这些工具为体内成像提供了无与伦比的信噪比（SNR），使创新研究成为可能，无论是解决基本问题还是治疗疾病。除了提高灵敏度，金博士选择布鲁克超高场工具的原因还包括更高的磁化率和频谱分散，有助于其团队开展新颖研究。
他说：“当我搬到韩国时，默认购买了9.4特斯拉的BioSpec仪器，因为我已经使用了很长时间。但是，灵敏度在fMRI研究中非常重要，所以我决定订购15.2特斯拉的BioSpec。当你进入更高场强时，你需要改进实验技术，这对我们的研究和未来规划产生了重大影响。此外，布鲁克仪器适用于我们多条研究线，这也是决策过程的一部分。”
不仅仅是技术能力，布鲁克的支持也节省了金博士的时间和精力，使他能够专注于这些新研究领域。“当我成为布鲁克用户时，支持非常好，我不需要浪费时间调整设置和解决问题。现在我可以专注于科学研究。这是一个很大的优势。”
超高场MRI与其他尖端神经科学技术的结合有望增加对大脑及其疾病的理解，为更好的临床诊断和治疗铺平道路。在即将开展的一个项目中，金博士及其同事将扩大研究范围，进行更敏感的分子成像，以量化大脑中某些神经化学物质的浓度。这项研究对研究神经递质失衡和神经系统疾病中的代谢变化具有重要意义。
即使在拥有强大研究记录的情况下，金博士仍致力于帮助构建一个专注于解决新问题和探索新方法以检查脑生理和功能的未来。“从国际角度来看，我的目标是将我们的中心提升到下一个层次。我希望我们的中心能够成为全球领域的先锋。我们希望对科学研究产生影响，为未来的发现铺平道路。”
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