本文為香港大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程終身講座教授兼院長吳學(xué)奎博士的訪談記錄。

問：光遺傳學(xué)fMRI激活區(qū)域可能具有極高的靶向性,。這一特異性有何優(yōu)勢,？

答：光遺傳學(xué)fMRI捕獲的高度特異性腦激活區(qū)域是光遺傳學(xué)調(diào)制區(qū)域啟動的神經(jīng)活動隨后會傳播到的下游目標(biāo),。這種特異性是由許多因素共同決定的,，這些因素主要包括：I）病毒表達(dá)、光遺傳調(diào)制設(shè)計(jì)范式,，以及局部神經(jīng)元集群的反應(yīng)特性；II）所啟動的神經(jīng)活動的強(qiáng)度和時(shí)間特性,；III）光遺傳學(xué)擾動期間在多個(gè)尺度上發(fā)生的自發(fā)活動,；IV）刺激位點(diǎn)與下游目標(biāo)之間結(jié)構(gòu)連接的直接性、密度和驅(qū)動/調(diào)制特性,；V）刺激位點(diǎn)與下游目標(biāo)之間的功能連通性的動力學(xué),，以及VI）fMRI數(shù)據(jù)采集（即系統(tǒng)、設(shè)置,、順序等）和分析方法,。光遺傳學(xué)fMRI可通過具有細(xì)胞類型特異性的、時(shí)空精確的,、可逆的神經(jīng)活動啟動/操縱,，同時(shí)利用多功能成像設(shè)計(jì)讓大規(guī)模反應(yīng)可視化，將精確控制的實(shí)驗(yàn)與靈活的數(shù)據(jù)顯示相結(jié)合，幫助研究長距離功能神經(jīng)回路/網(wǎng)絡(luò)的各種特性以及神經(jīng)活動的大規(guī)模時(shí)空協(xié)調(diào),。

問：雖然某些神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)范圍非常小,，但特定的光遺傳學(xué)刺激會誘使發(fā)生全腦反應(yīng),。我們可在什么時(shí)間點(diǎn)發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng),，它們有何作用？

答：大腦是一個(gè)非凡的生物信息處理系統(tǒng),，由許多神經(jīng)元集群組成,，這些神經(jīng)元集群連接到特定功能的回路和網(wǎng)絡(luò)中。在現(xiàn)時(shí)任務(wù)或休息期間,，大腦通過局部回路及/或全腦網(wǎng)絡(luò),，協(xié)調(diào)不同時(shí)空尺度的各種神經(jīng)活動，以執(zhí)行各種功能,。通過恰當(dāng)刺激神經(jīng)元集群表現(xiàn)出全腦長距離投射,，或者啟動能在全腦傳播的低頻活動，可顯示全腦反應(yīng),。這些全腦反應(yīng)可反映神經(jīng)元集群或受刺激位點(diǎn)神經(jīng)活動的多個(gè)下游目標(biāo)的募集,。在全局大腦狀態(tài)的動態(tài)切換、全腦功能網(wǎng)絡(luò)通信的選擇性調(diào)制,、分布式信息存儲與組織的門控等方面,，這些全腦反應(yīng)發(fā)揮著重要作用。

問：某些fMRI研究是否難以或根本無法使用普通刺激方法而開展,？

答：目前,，采用普通光遺傳學(xué)刺激方法，無法模擬經(jīng)歷多感官環(huán)境或自然景物的受試者的大腦反應(yīng),。由于分辨率受到亞毫米級光纖直徑的限制,，因而很難執(zhí)行多位點(diǎn)操作，也無法實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞層面的精確光遺傳學(xué)擾動,。常見的利用重復(fù)方脈沖刺激的刺激范式設(shè)計(jì)也限制了光遺傳學(xué)fMRI研究在檢查自然情況下引發(fā)的更多生理反應(yīng)方面的應(yīng)用,。同時(shí)，鑒于神經(jīng)元集群的閉環(huán)刺激,，我們需要以毫秒級時(shí)間分辨率,，實(shí)時(shí)監(jiān)測局部神經(jīng)元活動，以確定局部神經(jīng)元集群或網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)狀態(tài),，但這一點(diǎn)很難通過普通刺激方法來完成,。

問：光遺傳學(xué)fMRI主要是一種臨床前技術(shù)。利用該方法獲得的研究成果如何轉(zhuǎn)化為臨床相關(guān)性,？

答：健康對照組的光遺傳學(xué)fMRI研究成果可幫助我們增進(jìn)對正常大腦工作方式的了解,，并推動臨床應(yīng)用fMRI/神經(jīng)成像方法的發(fā)展。同時(shí)，正常模型與疾病模型之間光遺傳學(xué)fMRI結(jié)果的差異可引導(dǎo)我們開發(fā)診斷技術(shù),，并闡明疾病的潛在機(jī)制,。此外，針對疾病模型的光遺傳學(xué)fMRI研究成果可用于引導(dǎo)開發(fā)治療干預(yù)方案,。

問：我們還需要走多遠(yuǎn)才能從細(xì)胞層面了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作機(jī)制,？

答：目前，fMRI無法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞級空間分辨率,，然而,，未來幾年，利用多方面的技術(shù)發(fā)展成果,，我們將能夠從細(xì)胞層面檢查神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),。首先，通過使用尖端多功能遺傳工具,，并結(jié)合fMRI對神經(jīng)回路進(jìn)行細(xì)胞級操縱,，我們開始獲得從細(xì)胞層面檢查神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擾動結(jié)果的絕佳機(jī)會。其次,，通過將細(xì)胞級分辨率光學(xué)成像與光遺傳學(xué)fMRI相結(jié)合,，將有助于加深我們對細(xì)胞級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的了解。第三,，隨著精密光遺傳學(xué)刺激方法（例如,，全息刺激）的近期及持續(xù)發(fā)展，我們將能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞級光遺傳學(xué)刺激,，同時(shí)通過全腦fMRI成像,，使相應(yīng)結(jié)果可視化。