使用下一代超高梯度扩散MRI可视化活体人脑皮质层状结构

在活体大脑中“看见”层次结构

我们的脑被一层薄薄的、起伏的组织包裹，感知、动作和思维都在这里发生。这个外层——皮质——由一层层堆叠的细胞与纤维构成，各层在细微处存在差异。直到现在，科学家只能在死后捐献的大脑中研究这种精细结构。本文介绍了研究人员如何开始在活体个体中绘制这些层状结构，方法是使用一种新型的高强度MRI扫描仪和先进的分析技术。

为什么皮质层重要

皮质并非均质。它由六个主要层次构成，这些层在神经元大小与密度以及髓鞘化纤维（即绝缘“接线”）的数量上有所不同。不同区域，例如视觉区与运动区，呈现出不同的层状格局，这决定了各区域的功能特性。一个多世纪以来，这些特征通过切片和染色组织学在显微镜下被揭示。尽管这些经典方法提供了精细的细节，但无法追踪大脑在发育、衰老或疾病过程中的动态变化。现代神经科学的一个关键目标是以无创方式获取同类层信息，从而实时将结构与功能及临床症状联系起来。

新型MRI扫描仪

这项研究的核心是名为Connectome 2.0的下一代研究型MRI系统，相较于标准医院设备它能产生更强的磁场梯度。这些更强的梯度使扩散MRI对水分子在微观尺度上如何穿过组织的运动更为敏感。研究团队应用一种称为胞体与突起密度成像（SANDI）的模型，将来自细胞体（胞体）、神经细胞的细长突起（突起）以及周围间隙的信号分离开来。为提高分辨率，他们使用一种超分辨率技术，将标准扩散扫描与高质量解剖扫描的信息融合，实际上将扩散数据在皮质上推进到一毫米的空间分辨率。

跨深度读取细胞体与神经纤维信号

借助这些工具，研究者在从脑表面到白质的21个深度层面采样SANDI测量值。他们发现与细胞体相关的信号在皮质中层附近达到峰值，而与突起相关的信号则随着接近白质的更深层稳步上升。这些趋势与基于真实组织的组织学图谱中的模式高度相似：中间深度层富含大型神经元，而深层则包含密集的髓鞘化纤维束。团队还表明，感觉区（如视觉皮质）与运动区在信号随深度变化的方式上存在差异，呼应了它们细胞构成长期以来的已知不同。即便在运动皮质内部，只有在观察层特异性测量时，邻近亚区之间的微小差异才变得可见。

大脑形态与其微观结构

皮质折叠成脊与沟，研究显示组织结构与表面形态之间的关系随深度而变化。在表面附近，位于沟中的区域往往比暴露的脊显示出更高的与细胞体相关的信号；而在更深处，这一模式发生反转，脊的数值高于沟。这种随深度翻转的现象与早期显微研究中关于折皱处细胞密度变化的发现相吻合。结合突起信号的深度剖面，结果指向了皮质几何形态、细胞打包与神经纤维布置之间的丰富相互作用，这些现在可以在活体人类中被探测。

新旧技术的比较

为了评估新硬件的增益，作者将Connectome 2.0的SANDI测量结果与其前代Connectome 1.0（已超越临床系统）进行了比较。更先进的扫描仪在整个皮质上增强了与突起相关的信号，同时并未改变整体的与细胞体相关的信号，这提高了对脑“接线”部分的敏感性，同时保持对细胞体估计的稳定性。它还降低了个体间的变异并更好地捕捉到小区域间的差异，表明更强的梯度和更短的扫描时间使胞体与突起两个成分的成像更加清晰。

对脑健康的意义

对非专业读者而言，关键信息是科学家们正在学会在活体个体中观察曾经仅限于显微镜切片的皮质精细结构。通过将基于MRI的层状剖面与可靠的组织学图谱对应，这项工作表明先进的扩散MRI可以作为组织学的替代手段。未来，类似方法若被改造以适应更普及的扫描设备，或可帮助医生与研究者追踪多发性硬化、痴呆或精神疾病等如何在时间尺度上微妙地改变特定皮质层和区域。

引用: Lee, H., Ma, Y., Chan, KS. et al. Visualizing cortical laminar architecture in the living human brain using next-generation ultra-high-gradient diffusion MRI. Commun Biol 9, 651 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09887-2

关键词: 皮质层, 扩散MRI, 脑微观结构, Connectome 2.0, SANDI模型