近日，同济大学物理科学与工程学院团队在脑科学成像技术领域取得重要突破。陈振跃教授联合瑞士苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院Daniel Razansky教授团队开发出一种多模态光磁混合成像平台（HyFMRI），首次实现对神经元、星形胶质细胞与血流动力学响应的同步实时监测，突破了传统成像技术在细胞分辨率与全脑覆盖不可兼得的技术瓶颈，为揭示神经—胶质—血管耦合机制提供了全新研究手段。相关研究成果以“Hybrid Fluorescence and Magnetic Resonance Imaging for Concurrent Monitoring of Neuronal, Astrocytic, and Hemodynamic Activity”为题，发表于光学领域顶尖期刊 《Light: Science & Applications》。
研究背景
大脑功能的实现依赖于神经元、星形胶质细胞与血管系统之间的精密协同。尽管fMRI（功能磁共振成像）能够无创获取全脑水平的BOLD（血氧水平依赖）信号，但其无法区分不同细胞类型对神经活动的具体贡献，也无法直接获取基因编码钙指示剂呈现的分子信息。现有光纤光度法钙成像技术虽可与fMRI结合，但存在空间分辨率低、视野有限等问题。宽场荧光成像虽然可以绘制全皮层神经活动，却存在难以与fMRI整合的困境。不同成像模态间的兼容性问题，长期以来制约着对神经微环路的深入解析。
研究亮点
研究团队构建了一套集成9.4T高场磁共振系统与基于光纤镜的多通道光学成像模块的混合平台（图1）。结合定制化表面射频线圈和3D打印组件以及光纤镜实现了光学与磁共振两种模态的硬件融合。光纤镜具备约70微米的空间分辨率与约15毫米的大视场，足以覆盖小鼠全皮层。
图1多模态荧光与磁共振成像（HyFMRI）平台。
团队通过对轻度麻醉小鼠施加电刺激，成功在对侧前肢体感皮层捕获到神经元信号（RCaMP1.07）、星形胶质细胞钙信号（GCaMP6s）和BOLD信号（图2）。时序分析显示，神经元→星形胶质细胞→BOLD信号的激活存在明确延迟，揭示了神经血管耦合的时间传递路径。
进一步相关性分析发现，神经元与星形胶质细胞信号高度相关，而二者与BOLD信号的相关性较弱，表明BOLD信号是多种生理过程的综合反映。实验结果也为星形胶质细胞参与神经血管耦合提供了直接证据。
图2小鼠神经细胞类型特异的多参数大脑激活响应。
科学意义
本研究提出的HyFMRI平台，首次在同一时间、同一样本中实现了对神经元、星形胶质细胞和血流动力学的跨尺度、多参数同步记录，突破了传统fMRI在细胞类型分辨率上的局限。该技术不仅为神经血管耦合机制的研究提供了全新工具，也为神经退行性疾病、中风、认知障碍等脑疾病的基础研究与临床提供了强有力的成像平台。
研究团队与贡献
本项研究由同济大学陈振跃博士（第一作者）与苏黎世大学及苏黎世联邦理工学院Daniel Razansky教授共同领导。同济大学为论文第一完成单位。陈振跃、Yi Chen、Irmak Gezginer为论文共同第一作者，Daniel Razansky教授为通讯作者。研究团队还包括同济大学博士研究生丁庆祥，以及苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院的Hikari A. I. Yoshihara、Xosé Luís Deán-Ben、Ruiqing Ni等研究人员。
论文信息
Chen, Z., Chen, Y., Gezginer, I. et al. Non-invasive large-scale imaging of concurrent neuronal, astrocytic, and hemodynamic activity with hybrid multiplexed fluorescence and magnetic resonance imaging (HyFMRI). Light Sci Appl14, 341 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02003-9
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