【前沿科普】探秘清醒猴“脑成像车间”

以下文章来源于脑与认知科学国家重点实验室 ，作者刘宁 徐凡舒

脑与认知科学国家重点实验室

围绕“意识的神经基础”、“认知的基本单元”、“学习和决择”等重大科学问题开展研究，并在认知的分子神经机制及认知障碍领域取得卓越的进展。

从“学霸”猴的全世界路过…

试问，是什么让一懒在床上的大好青年放下手机，转身就开始做家务。答曰，是来自母亲的一则消息…

我伟大的母亲

我伟大的母亲

我伟大的母亲

我伟大的母亲

养你还不如养只猴子[微笑]

赖在床上的我

来了来了！

当代网友生存压力大到，不仅日常要被各路人类学霸按在地上反复摩擦，还要受到来自动物们的智商打击…

伤害不大，侮辱极强

对动物可以有多聪明这件事，人们一直充满好奇。2015年，有只来自日本实验室的黑猩猩出了名，它叫小布，在与人类记忆大师的比拼中取得了胜利，《动物世界》还特地做了期专题来介绍它。（虽然也有人提出质疑，但光看下图还是挺壮观的）

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小布需要在一眨眼的时间内记住全部数字，然后按照由小到大的顺序在触摸屏上进行按键。据研究员松泽哲郎所说，它可以完成“60毫秒记住9个数字”的壮举。

说到实验室的动物，与人类同属灵长类的猕猴则是常驻大咖级嘉宾。猕猴与人类在遗传、生理、神经和行为等方面都很相似，因此成为了生物学、心理学、医学等领域中十分热门的“明星动物”（PS，最近更是热到价格翻了3番还断货）。在脑科学领域，自从20世纪中期开始，猕猴就已经被广泛用于各种研究中。

人猴全脑纤维束比较（左占广作品）

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儿时记忆——孙悟空的造型便是参考的猕猴

当然，为了研究的顺利进行，合适的被试与优秀的技术手段缺一不可，话说到这就不得不隆重介绍一下“脑成像车间”的王牌技术——功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）（见图1）。

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图1 功能性磁共振成像（fMRI）

不同于过去那些侵入式的实验手段（如单细胞记录等），磁共振成像技术有着无创、非侵入式的优点。进入90年代后，功能磁共振成像（functional MRI，fMRI）开始出现，它将神经活动和MRI技术完美结合，实现了特定状态与任务下全脑活动情况的非侵入式、快速获取。但是，将人作为被试深入开展研究涉及到诸多伦理问题，以麻醉猴做被试又只能探讨相对有限（如静息状态下）的脑活动，由此，清醒猴功能磁共振成像技术（fMRI in awake-behaving macaques）便应运而生。

清醒猴功能性磁共振成像的发展现状及前景

清醒猴fMRI技术的有一个延承自fMRI的优势——可以同时对所有脑区进行观察，进而在一定程度上改善以往研究中“盲人摸象”的问题。去年被评为美国科学院院士的神经科学家，都受益于该技术。目前，大量的研究集中在视觉通路——例如各种处理特定视觉刺激（如面孔、场景、身体部位等）的脑区定位[1]；此外，在高级认知功能领域也有不少研究。如Miyamoto在2017年探索了猕猴的高级认知层面——元认知，通过清醒猴fMRI与可逆失活技术的结合，在前额叶区发现了“元记忆”（记忆状态的元认知自我监控）的神经关联[2]。

虽然清醒猴fMRI开辟了一个全新的领域并获得了众多重要的乃至开创性的研究成果，但其技术难度也着实不低：

从动物本身的角度来看，清醒状态下的大动物更难控制，而任何微小的头动或身体运动均会使采集的图像变形。想象下给活泼好动的小朋友拍照的痛苦。

而从仪器的角度来看，磁共振成像设备和射频线圈是获取高质量fMRI图像的关键，然而由于市场太小，所以专门用于清醒猴的磁共振成像设备和射频线圈较少。

目前清醒猴fMRI仍然是一个正在蓬勃发展中的领域，越来越来的科学家投身并受益于此。清醒猴fMRI引导的实验可以减轻大海捞针的问题，极大提高了实验的效率：

在空间尺度上，该技术突破经典脑活动监测手段的空间局限性。这里面的一个经典例子就是面孔加工区的发现。虽然选择性对面孔反应的神经元早在上世纪70年代就已发现[3]：利用电生理记录手段，研究者在猕猴颞叶发现了一些选择性对面孔反应的细胞，但是由于缺少位置信息，研究者只能在猴的颞叶进行随机的数据采集，这种方法找到的有效细胞十分有限。而清醒猴fMRI技术的出现，多个面孔加工区在猴的颞叶被发现，在这些得到精准定位的面孔区进行记录，真是一插一个准，找到面孔选择性细胞的概率高达97%[4, 5]。

以往跨物种比较时，总会遇到实验方法和物种都不相同的情况，导致对不同实验结果的解释困难。而清醒猴fMRI技术可以同时对清醒动物与人类被试的结果进行直接比较，从而更好地解读跨物种研究结果，甚至促进人类的研究。比如上述在猕猴前额叶发现的新的面孔加工区还进一步引出了人类上同样位于颞叶前部和前额叶的新面孔加工区的发现。

面孔加工区发育过程部分示意

脑功能的发生发展承载着脑功能的关键信息。如果在人类上进行同一被试的研究，那么诸位的博士肯定是要延到最长期限的。而相对人来说，猕猴的发育时间较短（大概是3:1的关系），因此，在时间尺度上，清醒猴fMRI技术可以在同一被试上进行早期（如出生后一周）及长期（数年）检测，为脑功能和脑疾病的早期检测和长期监控提供了可能。还是以面孔区为例，利用清醒猴fMRI技术，哈佛医学院的Livingstone院士就对面孔加工区整个发育过程（见左图）进行了观察和调控[6] [7]；

说到调控，清醒猴fMRI技术可与经典的介观、微观尺度的实验方法（如脑活动调控）相结合，极大地促进了多尺度、多模态脑活动研究的发展——例如与侵入式的电刺激[8]、可逆性化学失活[2, 9]、药理学[9]、光遗传学[10] [11]（见图2）、经颅聚焦超声[12]等技术相结合，从而进一步发挥动物实验的优势，得到对各种脑功能相关神经环路更加深入的理解。

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图2 光遗传技术

说到这，清醒猴功能磁共振成像技术的重要性，各位看官也大体知晓了。那接下来我们来聊一聊

清醒打工猴的fMRI日常

在猴同志第一次“进场”打工之前，有大量的准备工作要做：

众所周知猴的小动作不少，但是fMRI又需要被试尽量保持不动，因而科学家们会将猴放置在一个具有固定装置的猴椅上，特别是需要将其的头部进行固定（见图3）。

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图3 具有固定装置的猴椅[13]

但猴怎么能听懂人的要求呢？这里其实安排了一个特殊的奖惩环节——当猴行为正确，就会得到水或者果汁的奖励；如果表现不佳，那么不但得不到奖励，还有可能会有一段作为惩罚的time-out。

躺着喝水容易呛到，再加上猴儿们平时即便睡觉也很少是仰躺着，所以，与图1人作被试时的仰躺的姿势不同，猴在工作时需要像狮身人面像一样蹲坐着（见图4）。

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图4 猕猴在仪器中的坐姿，就像狮身人面像一样

当然也有例外，如人家日本猕猴（见图5）也可以躺着做扫描，但是但是，人家的脑子比我们的猴要大，所以更聪明些。

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图5 日本猕猴的泡温泉日常（慕了慕了）

此外，由于磁共振扫描仪在扫描时会产生比较大的噪声，人类被试在扫描过程中需要戴上耳塞来隔绝一定的声音干扰，可猴们就不会这么配合了，他们毛茸茸的耳朵戴上耳塞可是会很不舒服的，但没有这个隔音设备，猴骤然听到刺耳的扫描噪声可能会导致他们产生应激反应。

因而，在正式实验之前，需要麻烦猴哥在模拟fMRI扫描的条件下进行适应性（如适应扫描的噪声、适应狮身人面像的坐姿等等）的训练。在猴的各项数据稳定到平常值后，便可进行正式的实验了。即使如此，也有个别胆小的猴，在第一次正式扫描时会被吓到。此处拉踩我们实验室中的某猴，距离上次扫描都1个星期了，竟还有些懵圈。

啥？？？

在适应实验之后，猴哥便会被指派完成一些特定的实验。由于伦理的限制，是不能体罚猴的，只能与猴斗智斗勇，进行“我猜我猜我猜猜”的过程，试图理解猴儿们为啥今天不想干活了（没睡好？没比别的猴多吃？今天没用蜜桃味的果汁？），或是对猴进行贿赂（当然也有收了水果不干活的）。PS，驯猴小伙伴经常思考的问题就是“是我在驯猴还是猴在训我”。任务训练完成后，就可以开始扫描了。

你猜~

扫描当天，猴儿们会人力四轮驱动乘坐专车由专车司机送到核磁中心开始实验。有过扫描经验的小伙伴可能知道，扫描过程中主试是需要经常与被试沟通的，来检查被试状态是否良好，是否可以继续实验。在猴的扫描过程中，我们则主要通过猴的行为来进行判断。比如有时候我们会发现有的猴在做任务的时候做着做着就眯起了眼睛开始打盹，那就是它们做任务做累了，毕竟打工猴也是需要休息的，这时候就需要让它们小憩一会儿，之后它们就又可以接着工作啦。再比如有的猴是很会“讨价还价”的，当它做了一段时间任务之后就开始不太配合，做任务的积极性下降，任务表现变差，那么这个时候就需要给它增加奖励的数目来鼓励鼓励它，有了这种实打实的“好处”，它们才会愿意接着完成任务。

困了困了~

同时，也是需要沟通的。比如，有的猴做着做着就会开小差、思绪飞散，这是我们可能就会叫叫它的名字（虽然可能完全听不懂）或是给它些果汁来提醒它要工作哟。当然也有稳重勤恳的猴，在工作的时候非常的配合，当它发现自己完成了今天的KPI，可以下班了，就会吼一嗓子来告诉我们，“差不多收工了~”。

当猴哥们下班之后，研究者们的工作才刚刚开始（首先第一件就是清洁！），我们需要结合实验设计对采集到的数据进行处理和分析，从而得到一系列的结论。

最后结个尾就下班！

纵观神经科学的历史，清醒猴fMRI技术并非一蹴而就，而是经历了大量的积淀，众多投身于此的科研学者孜孜不倦地试错与改进，为揭开脑科学神秘面纱做出了重大贡献。在全球范围内，能够成功并有效地使用清醒猴fMRI技术的研究机构极少。目前，我们已经成功在生物物理所磁共振成像中心搭建了清醒猴fMRI技术平台，并获得高信噪比清醒猴功能磁共振图像。欢迎打卡！

打卡！下班！

图片均来源于网络，如有侵权，立刻删除。

致谢

感谢刘宁老师、杨天舒师姐对本文的指导！

感谢左占广师兄制作的视频！

参考文献：

1. Vanduffel, W., Q. Zhu, and G.A. Orban, Monkey Cortex through fMRI Glasses. Neuron, 2014. 83(3): p. 533-550.

2. Miyamoto, K., et al., Causal neural network of metamemory for retrospection in primates. Science, 2017. 355(6321): p. 188-193.

3. Gross, C.G., Rochamir.Ce, and D.B. Bender, VISUAL PROPERTIES OF NEURONS IN INFEROTEMPORAL CORTEX OF MACAQUE. Journal of Neurophysiology, 1972. 35(1): p. 96-&.

4. Tsao, D.Y., et al., Faces and objects in macaque cerebral cortex. Nature Neuroscience, 2003. 6(9): p. 989-995.

5. Tsao, D.Y., S. Moeller, and W.A. Freiwald, Comparing face patch systems in macaques and humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008. 105(49): p. 19514-19519.

6. Livingstone, M.S., et al., Development of the macaque face-patch system. Nature Communications, 2017. 8: p. 12.

7. Arcaro, M.J., et al., Seeing faces is necessary for face-domain formation. Nature Neuroscience, 2017. 20(10): p. 1404-+.

8. Moeller, S., W.A. Freiwald, and D.Y. Tsao, Patches with links: A unified system for processing faces in the macaque temporal lobe. Science, 2008. 320(5881): p. 1355-1359.

9. Liu, N., et al., Oxytocin modulates fMRI responses to facial expression in macaques. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015. 112(24): p. E3123-E3130.

10. Gerits, A., et al., Optogenetically Induced Behavioral and Functional Network Changes in Primates. Current Biology, 2012. 22(18): p. 1722-1726.

11. Ohayon, S., et al., Saccade Modulation by Optical and Electrical Stimulation in the Macaque Frontal Eye Field. Journal of Neuroscience, 2013. 33(42): p. 16684-16697.

12. Folloni, D., et al., Manipulation of Subcortical and Deep Cortical Activity in the Primate Brain Using Transcranial Focused Ultrasound Stimulation. Neuron, 2019. 101(6): p. 1109-+.

13. Rima, S. Visuotopy and optic flow processing in monkey's visual cortex : an fMRI investigation. 2017.

本文转载自公众号“脑与认知科学国家重点实验室”

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原标题：《【前沿科普】探秘清醒猴“脑成像车间”---解密fMRI》

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