本文為香港大學生物醫學工程終身講座教授兼院長吳學奎博士的訪談記錄。

問：光遺傳學fMRI激活區域可能具有極高的靶向性。這一特異性有何優勢？

答：光遺傳學fMRI捕獲的高度特異性腦激活區域是光遺傳學調制區域啟動的神經活動隨后會傳播到的下游目標。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、光遺傳調制設計范式，以及局部神經元集群的反應特性；II）所啟動的神經活動的強度和時間特性；III）光遺傳學擾動期間在多個尺度上發生的自發活動；IV）刺激位點與下游目標之間結構連接的直接性、密度和驅動/調制特性；V）刺激位點與下游目標之間的功能連通性的動力學，以及VI）fMRI數據采集（即系統、設置、順序等）和分析方法。光遺傳學fMRI可通過具有細胞類型特異性的、時空精確的、可逆的神經活動啟動/操縱，同時利用多功能成像設計讓大規模反應可視化，將精確控制的實驗與靈活的數據顯示相結合，幫助研究長距離功能神經回路/網絡的各種特性以及神經活動的大規模時空協調。

問：雖然某些神經元神經網絡范圍非常小，但特定的光遺傳學刺激會誘使發生全腦反應。我們可在什么時間點發現這些反應，它們有何作用？

答：大腦是一個非凡的生物信息處理系統，由許多神經元集群組成，這些神經元集群連接到特定功能的回路和網絡中。在現時任務或休息期間，大腦通過局部回路及/或全腦網絡，協調不同時空尺度的各種神經活動，以執行各種功能。通過恰當刺激神經元集群表現出全腦長距離投射，或者啟動能在全腦傳播的低頻活動，可顯示全腦反應。這些全腦反應可反映神經元集群或受刺激位點神經活動的多個下游目標的募集。在全局大腦狀態的動態切換、全腦功能網絡通信的選擇性調制、分布式信息存儲與組織的門控等方面，這些全腦反應發揮著重要作用。

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，采用普通光遺傳學刺激方法，無法模擬經歷多感官環境或自然景物的受試者的大腦反應。由于分辨率受到亞毫米級光纖直徑的限制，因而很難執行多位點操作，也無法實現單細胞層面的精確光遺傳學擾動。常見的利用重復方脈沖刺激的刺激范式設計也限制了光遺傳學fMRI研究在檢查自然情況下引發的更多生理反應方面的應用。同時，鑒于神經元集群的閉環刺激，我們需要以毫秒級時間分辨率，實時監測局部神經元活動，以確定局部神經元集群或網絡的動態狀態，但這一點很難通過普通刺激方法來完成。

問：光遺傳學fMRI主要是一種臨床前技術。利用該方法獲得的研究成果如何轉化為臨床相關性？

答：健康對照組的光遺傳學fMRI研究成果可幫助我們增進對正常大腦工作方式的了解，并推動臨床應用fMRI/神經成像方法的發展。同時，正常模型與疾病模型之間光遺傳學fMRI結果的差異可引導我們開發診斷技術，并闡明疾病的潛在機制。此外，針對疾病模型的光遺傳學fMRI研究成果可用于引導開發治療干預方案。

問：我們還需要走多遠才能從細胞層面了解神經網絡的運作機制？

答：目前，fMRI無法實現細胞級空間分辨率，然而，未來幾年，利用多方面的技術發展成果，我們將能夠從細胞層面檢查神經網絡。首先，通過使用尖端多功能遺傳工具，并結合fMRI對神經回路進行細胞級操縱，我們開始獲得從細胞層面檢查神經網絡擾動結果的絕佳機會。其次，通過將細胞級分辨率光學成像與光遺傳學fMRI相結合，將有助于加深我們對細胞級神經網絡的了解。第三，隨著精密光遺傳學刺激方法（例如，全息刺激）的近期及持續發展，我們將能夠實現細胞級光遺傳學刺激，同時通過全腦fMRI成像，使相應結果可視化。