脑功能研究是一项重要的基础性神经研究，包括一系列复杂神经网络的活动和自组织过程，对探索认知和情绪具有重要意义。由于神经活动的复杂性，脑功能研究需从不同的时间、空间维度进行探索。从微观和介观上看，颅内实验能使人们获取和分析来自细胞或微电路产生的直接信号；宏观上看，则可以通过全脑网络内的活动来研究脑内间接信号，如测量血流、血量、氧化程度等。目前这些测定都存在所谓的“不适定问题”，例如在神经成像领域中所使用的，基于血氧水平依赖（BOLD）的功能性磁共振成像（fMRI）技术。这种方法虽然可以从全局的视野观察大脑活化作用，但该作用的机理尚不明确。另一种有效的方法是，结合电生理测量技术，发展分子fMRI技术。根据该技术在分子和细胞层面观察神经活动的特异性功能，可以观测神经递质和神经调节剂的浓度变化，极大的提高成像解析度，实现准确、可靠的脑活动可视化。 

　　分子fMRI是分子成像和fMRI的结合，它可以从时间、空间的维度上直接监测脑内生理活动，是现有其他技术无法实现的。一般来说，实现分子fMRI技术，需要外源物质的辅助，即MRI造影剂。他们对脑生理活动中的各种离子和分子反应灵敏，可以根据微环境中的变化而发生改变。这些功能性的标记物被称为生物响应探针或智能造影剂（SCAs）。目前，世界上只有少数研究组具备设计、合成和进行体内表征SCAs的技术。 

　　生物响应造影剂的早期开发 

　　研究组在早期的科研方向中，主要致力于设计、合成生物响应的智能造影剂。这些造影剂可以根据局部环境的变化产生MR图像对比度变化，特别是能高度地响应脑生理活动中的一系列变化，如钙离子和氨基酸神经递质浓度改变，从而极大的提高fMRI的特异性。我们将使用多种方法来开发、合成这样的造影剂，并运用于最新的、最先进的MRI技术中。我们不仅可以制备传统的T₁、T₂加权MRI造影剂，还将开发适用于氟基、化学交换饱和转移（CEST）、超极化等的MRI造影剂。为提高这些功能分子的生物动力学性质和体内兼容度，我们将这类分子与纳米级生物兼容的载体相结合，从而得到用于分子fMRI技术的多聚、多对比度、多模式的智能造影剂。 

　　生物响应造影剂进行的fMRI研究 

　　对上述提到的造影剂开展进一步的体内分子fMRI研究。新发展的fMRI技术将充分发挥其潜能，用于实现大量生物活动的可视化。我们的目标是建立具有高度特异性、可以评估神经信号各个方面的‘常规技术’。在这一阶段，上述合成开发的小分子和纳米级SCA将进一步用来开发新型功能性神经成像技术，具体研究内容如下： 

　　a) 进行胞外钙离子和氨基酸神经递质的动态fMRI记录。外部刺激引起重要的脑内相关的生物学信号变化，此变化与载入的SCA相互作用，使不同神经活动的动态过程得以高时空分辨率地可视化。 

　　b) 开展对不同离子的和靶向分子的浓度检测，如pH或金属阳离子。我们利用最新的MRI技术对SCA所在区域进行多次记录，实现对目标物浓度的准确定量分析。这个技术可以极大地拓宽现代神经成像领域中脑代谢和脑功能的研究。 

　　从生物响应造影剂的设计到分子fMRI 

　　前期MRI造影剂的制备和开发主要是在德国马克斯普朗克生物控制论研究所（Max Planck Institute for Biological Cybernetics）进行。现如今已在各种不同类型的MRI造影剂的开发上取得了巨大进展。目前所拥有的这些生物响应的MRI试剂，将非常适用于下一阶段的分子fMRI神经成像研究。 

　　在多年的不断发展和积累中，我们已制备、分析并发表了无数的生物响应的、具有目标特异性、多对比度多模式的造影剂。现在，我们拥有最大的钙离子响应的MRI造影剂库，适用于质子频率和氟频率的MRI研究。和最近发表的锌离子响应的MRI试剂一样，这些造影剂都展现出与其他同类试剂相比最高的体外MRI信号变化。此外，我们还开发了一系列对神经递质敏感的MRI探针，用来探测很多氨基酸类的神经递质，如甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。 

　　与此同时，我们利用化学合成方法修饰了已有的生物响应探针，制备了脂质体、纳米粒子、多聚体的MRI造影剂，在体外和体内实验中显示出极大的优势。这些纳米级造影剂具备良好的生物动力学性质，即较长的组织停留时间，易于进行后续修饰和功能优化等。 

　　我们已经利用上述探针进行了一些试验来验证开展fMRI研究的潜能。由本实验组制作的钙离子响应的纳米粒子是第一个发表的能根据钙离子刺激在体内监测MRI信号变化的造影剂的文章（Moussaron et al, Small 2015）。最近，我们在脑缺血研究中也使用了钙敏造影剂。数据显示，我们的分子fMRI方法可以对脑缺血性中风进行早期的检测和监测（Savi？ et al, PNAS 2019）。这些研究都表明，这类造影剂对从分子和细胞层面上研究大脑功能具有无可替代的潜力和意义。本研究组将继续拓宽SCA和fMRI的应用技术，这不仅有助于理解大脑内各种复杂的生理和病理过程，更希望给生物医学研究带来有价值的新见解。