Nat Commun丨牵一发而动全身！周身变化影响大脑休息状态

脑声常谈

2025-01-02 09:31发布于上海科普领域创作者

好书推荐！《动物行为实验指南》电子版pdf，网盘发货

《动物行为实验指南》共674页，涵盖了常见的实验动物，如小鼠、大鼠和斑马鱼，详细描述了每一种行为测试的实验设计、测试设备、实验流程、评估指标、预期结果、常见问题及解决方法、数据分析、模型应用与局限性等各个方面。它通过快速引导，帮助研究人员高效地掌握实验的每个阶段，减少了查阅文献和寻找方法的时间，成为各类科研人员的重要参考资料。

《动物行为实验指南》共计收录了16种动物行为类型，包括焦虑抑郁、学习记忆、痛觉、运动、恐惧、社交、癫痫、操作、成瘾、视觉、痒觉、味觉、嗅觉、睡眠、斑马鱼行为以及常见动物模型等内容。每一类动物行为下，都详细介绍了多个经典的实验范式，涵盖了超过100种实验方法。

在无刺激或行为的情况下，大脑活动动态的相关结构常被用于揭示神经功能的内在特性。

基于此，2024年12月30日麻省理工学院生物工程系Alan Jasanoff研究团队在Nature communications杂志发表了“Peripheral contributions to resting state brain dynamics”揭示了静息态脑动力学的外周因素作用，意味着在大脑处于静息状态时，身体外周部分（如感觉器官、外周神经等）对大脑动态活动（如神经元的电活动、神经信号传递等）所产生的作用或影响。

作者分析了在模拟人类神经成像条件下，未麻醉、化学制动的雄性大鼠中，通过功能磁共振成像（fMRI）测量的静息态活动的外周影响。发现尽管不存在明显的刺激或运动，躯体感觉输入通道的扰动会改变躯体感觉区域之间以及与高级脑区之间的相关性强度。静息态效应由与传递对明显感觉刺激的反应相同的外周和丘脑结构介导。在自闭症大鼠模型中，基础外周输入的影响减弱，该模型表现出较低的躯体感觉功能连接性以及对触须失活不敏感。这些结果表明，外在因素对健康和疾病状态下静息态脑表型具有影响。

图一化学制动大鼠的静息态功能连接性

功能连接性的机制研究通常在啮齿动物中使用宽场血流动力学神经成像技术，但常用的实验条件存在缺陷。麻醉状态下的实验对象神经信号受到抑制，可能无法可靠模拟大多数人类静息态研究的情况。相比之下，清醒的啮齿动物易出现自发运动，这会影响神经动力学，并有可能扭曲成像数据。为了在无这些干扰因素的情况下研究啮齿动物的静息态功能，作者建立了对化学制动、未麻醉大鼠进行功能磁共振成像（fMRI）的实验条件。给动物使用可逆性肌肉松弛剂泮库溴铵，并通过气管内插管进行机械通气。在数天的适应期内测量动物对应激激素皮质酮的反应。将制动诱导的应激水平量化为每次适应期前后皮质酮的比值。这些结果表明，使用泮库溴铵进行化学制动非常有利于在适应期降低应激水平，并且适应后的制动动物与持续麻醉而非进行制动的对照动物无显著差异。与头部固定的动物相比，接受泮库溴铵处理的大鼠在制动诱导的应激方面也呈现出更低的趋势。在成像实验中，化学制动技术还能将运动抑制到与麻醉状态下相似的水平，并且比头部固定更有效地减少运动。在适应期后，从11只化学制动的动物中获取静息态功能磁共振成像数据，并用于计算区域间功能连接性的估计值。

在分析这些数据时，使用一般线性模型方法，将每对感兴趣区域（ROI）A和B之间的静息态功能连接幅度定义为区域B中体素相对于区域A中信号变化平均时间进程的平均回归系数。脑区内量化的平均rsFC幅度矩阵展示了广泛的区域间关系，这种关系在躯体感觉区域中尤为突出。将这些测量结果与相同动物在1.25-1.5%异氟烷麻醉下的类似数据进行比较，同时也与另一组清醒且头部固定的动物的rsFC结果进行比较。与麻醉或头部固定的动物相比，化学制动动物的半球间躯体感觉连接强度通常更高。在无麻醉与有麻醉的情况下，个体动物中同位S1BF rsFC的平均回归系数始终更高。未观察到静息态功率的相应差异，这表明功能连接性的差异并不取决于fMRI信号波动的幅度。这些数据表明，在无运动和麻醉相关干扰因素的情况下，清醒大鼠的躯体感觉系统中可观察到强烈的静息态功能连接特征。

图二触须失活会降低功能连接性指标

接下来，作者直接测试了在化学制动的大鼠中，无意的、隐蔽的外周输入可能对静息态现象产生影响的可能性。为此，让另一组动物适应成像条件，并在通过修剪触须和将布比卡因注射到触须生长的须垫后缘，双侧灭活触须介导的感觉之前和之后进行扫描。治疗前后fMRI数据的对比表明，触须失活强烈改变了静息态指标，抑制了躯体感觉区域的功能连接性指标，尤其是包括桶状皮层。在对同位S1BF rsFC随时间以5分钟滑动窗口进行动态分析时，触须失活的影响也很明显。治疗后，约80% 的时间里回归系数低于治疗前的平均值，这表明触须失活导致rsFC指标持续降低。该分析探测的频谱带约在0.003Hz至0.1Hz之间，分别受窗口宽度和血流动力学反应时间进程的限制。同时，对0.01-0.1Hz频段的fMRI频谱密度进行比较，结果显示失活处理后无显著差异，这表明在感觉剥夺时观察到的功能连接性变化并不需要活动波动幅度的改变。触须输入剥夺的影响还延伸到躯体感觉区域与通常与大脑 “默认模式网络”（DMN）相关的脑区之间的相互作用。在S1BF与同侧扣带回、顶叶和压后皮质之间观察到功能连接性降低。触须失活后，这三个与DMN相关区域与S1BF的平均回归系数降低。躯体感觉剥夺处理还降低了S1区域内同侧的局部功能连接性。这些结果共同表明，即使在没有明确刺激的情况下，躯体感觉脑区内外的静息态fMRI信号动态都依赖于与外周感觉器官的相互作用。

图三丘脑失活会降低双侧S1BF的功能连接性

如果触须失活对静息态功能连接的影响反映去除来自外周的隐蔽感觉输入，那么在躯体感觉上行通路中采取其他抑制性干预措施会产生类似效果。为验证这一预测，研究了丘脑失活对化学制动动物静息态活动的影响。对8只大鼠单侧植入注射套管，靶点为腹后内侧丘脑，它是触须向皮层传递上行输入的主要中继站。在注入1.5微升0.8毫摩尔的荧光蝇蕈醇前后获取fMRI数据，该物质能产生持久的失活效应。丘脑失活后，S1BF的同侧rsFC进一步降低，这与触须失活的效果类似。丘脑传递的感觉输入有助于躯体感觉系统的静息态功能连接。

图四触须处理在综合征型自闭症谱系障碍模型中产生的影响极小

接下来，作者探究大脑-外周相互作用是否会对与脑部疾病相关的静息态表型产生影响。自闭症谱系障碍（ASD）与非典型的静息态功能连接发现有关，而这些通常归因于大脑内在功能的特性。然而，自闭症动物模型也显示出外周感觉功能的改变，这就引发了一个问题，即与ASD相关的rsFC特性是否也可能受到大脑之外因素的影响。于是在脆性X综合征的大鼠模型中研究了这个问题，脆性X综合征是一种被广泛研究的自闭症谱系障碍。尽管FXS动物在须垫形态上没有表现出明显异常，但它们在行为测试中对躯体感觉刺激表现出超敏反应，并且在先前的功能磁共振成像研究中显示半球间rsFC降低。五只FXS模型大鼠适应了化学制动，并在触须失活前后通过静息态功能磁共振成像进行研究。发现感觉功能连接存在显著差异。在FXS和野生型动物之间，还观察到S1BF与非感觉性默认模式网络相关区域耦合的差异。与野生型相比，FXS大鼠中S1BF与扣带回、顶叶和压后皮质区域的回归系数平均降低。与同侧躯体感觉功能连接情况一样，触须失活对S1BF与DMN区域的平均rsFC幅度没有明显影响。这些结果表明，FXS模型表现出的静息态表型与野生型动物中触须介导的感觉剥夺效应相似，这表明FXS大鼠的rsFC现象部分可以用外周对静息态大脑活动贡献的改变来解释。

总结

文章围绕静息态脑动力学的外周因素作用展开研究，研究表明即便无运动或刺激，感觉对静息态活动也有不同贡献。这意味着在静息态fMRI研究中要控制与感觉通路相互作用的环境变量，且统一 “静息” 条件颇具难度，尤其在环境因素对不同行为或基因群体影响不同时。除已研究的感觉因素，其他感觉过程如内感受、非刺激视觉活动等，或也会以意外方式影响静息态脑动力学，后续可通过类似实验方法进一步探究。深入理解静息时外周与中枢生理耦合的生物学机制意义重大，如明确传递静息态感觉输入的细胞成分、其时间特性，以及身体和环境因素对相关脑活动的影响方式，这将有助于揭示认知和行为的起源。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55064-6

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