通常認(rèn)為腦組織血液供應(yīng)依賴區(qū)域整體神經(jīng)活動，且這種依賴關(guān)系隨腦區(qū)、腦狀態(tài)不同而有差異，但相關(guān)研究多以整體神經(jīng)活動為指標(biāo)。近日，倫敦大學(xué)Agnès Landemard在Nature發(fā)表相關(guān)研究論文。本研究同步檢測小鼠全腦神經(jīng)元活動與血容量波動，發(fā)現(xiàn)二者關(guān)聯(lián)在不同腦狀態(tài)、腦區(qū)間保持一致，僅在兩類功能相反的全腦神經(jīng)群體中存在差異。

功能性超聲成像顯示，作為覺醒標(biāo)志的胡須運動與全腦血容量波動相關(guān)；同步記錄證實，胡須運動時活動增強與減弱的神經(jīng)元，血流動力學(xué)響應(yīng)函數(shù)差異顯著，二者共同作用可預(yù)測不同狀態(tài)下的血容量變化。全腦記錄表明，這兩類功能相反的神經(jīng)群體廣泛存在于全腦，其對血容量的不同貢獻(xiàn)，解釋了不同腦區(qū)血容量波動的看似差異。綜上，小鼠大腦存在兩類與腦狀態(tài)呈相反關(guān)聯(lián)、與血液供應(yīng)耦合關(guān)系不同的神經(jīng)群體，共同決定全腦血容量波動。

圖1 覺醒狀態(tài)調(diào)控全腦血容量同步波動

研究利用功能性超聲成像檢測小鼠多腦區(qū)血容量變化，通過多冠狀切面成像覆蓋小鼠后腦、間腦、中腦及腦橋區(qū)域，并逐腦區(qū)提取信號。小鼠頭部固定、可自主跑動并自發(fā)切換覺醒狀態(tài)。

實驗發(fā)現(xiàn)，以胡須抽動為標(biāo)志的覺醒水平變化會引發(fā)全腦大范圍、時間高度同步的血容量波動：短時抽動使血容量快速升高后回落，長時抽動則維持血容量高位，結(jié)束后同步下降。各腦區(qū)效應(yīng)整體一致，僅波動幅度與時程略有差異，如海馬上調(diào)持續(xù)時間較短，杏仁核、嗅覺區(qū)等腹側(cè)腦區(qū)響應(yīng)更早。

基于胡須抽動信號構(gòu)建線性預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)該覺醒相關(guān)因子可穩(wěn)定解釋不同腦區(qū)、不同覺醒狀態(tài)下的血容量變化，且各腦區(qū)預(yù)測模式高度統(tǒng)一。綜上，以胡須活動為代表的覺醒水平，能夠普遍預(yù)測全腦血容量波動。

圖2 兩類反向神經(jīng)元差異化介導(dǎo)血流動力學(xué)耦合

研究發(fā)現(xiàn)小鼠腦中存在兩類功能相反的神經(jīng)元：覺醒增強型神經(jīng)元與胡須運動正相關(guān)，覺醒抑制型神經(jīng)元與之負(fù)相關(guān)。本研究構(gòu)建血流耦合模型指出，腦血容量并非由整體神經(jīng)活動決定，而是由上述兩類神經(jīng)元共同驅(qū)動且二者擁有各自獨立的正向血流響應(yīng)曲線：增強型響應(yīng)更快、時程更短，抑制型響應(yīng)更遲緩、積分更大。

該雙神經(jīng)元模型對血容量的預(yù)測精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)整體神經(jīng)活動模型，可完美復(fù)現(xiàn)血容量先升后降的雙相波動特征，在視覺皮層、海馬及自發(fā)、刺激等多種狀態(tài)下均穩(wěn)定有效。經(jīng)交叉驗證排除參數(shù)冗余干擾，單一神經(jīng)元、隨機(jī)神經(jīng)元分組、整體放電結(jié)合雙相響應(yīng)、引入瞳孔覺醒指標(biāo)等方式，均無法達(dá)到同等預(yù)測效果。綜上，腦區(qū)血容量波動的最優(yōu)解釋，是兩類反向調(diào)控神經(jīng)元各自獨立的血流耦合效應(yīng)。

圖3 全腦廣泛分布的覺醒雙向神經(jīng)元及其穩(wěn)定表型

覺醒增強型與覺醒抑制型神經(jīng)元以不同比例遍布全腦各區(qū)域。

視覺皮層及全腦平均水平上，覺醒升高時增強型神經(jīng)元活動上升、抑制型神經(jīng)元活動下降，兩類神經(jīng)元數(shù)量占比相近，但腦區(qū)間富集程度存在差異：丘腦內(nèi)增強型神經(jīng)元更多，聽覺皮層、次級軀體感覺皮層則抑制型神經(jīng)元占優(yōu)。兩類神經(jīng)元均為單相響應(yīng)，僅變化方向相反，其活動在整體平均放電中常相互抵消，在抑制型神經(jīng)元富集腦區(qū)尤為明顯。

二者動力學(xué)存在顯著差異：增強型神經(jīng)元響應(yīng)更快、峰值更早，抑制型神經(jīng)元峰值滯后。該神經(jīng)元分類屬性十分穩(wěn)定，動物靜息、任務(wù)狀態(tài)下關(guān)聯(lián)特征不變，長期多天追蹤單個神經(jīng)元，其覺醒相關(guān)特性也基本保持恒定。

總 結(jié)

本研究揭示了全腦兩類反向覺醒相關(guān)神經(jīng)元的分布規(guī)律、響應(yīng)特性及穩(wěn)定性，推翻了“腦血容量依賴整體神經(jīng)活動”的傳統(tǒng)認(rèn)知，明確其由兩類神經(jīng)元差異化血流耦合共同調(diào)控，為解析腦血流動力學(xué)與神經(jīng)活動的關(guān)聯(lián)機(jī)制提供了全新視角，也為相關(guān)腦功能研究及神經(jīng)疾病診療提供了重要理論依據(jù)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10350-9

參考文獻(xiàn)：Landemard A, Krumin M, Harris KD, Carandini M. Brainwide blood volume reflects opposing neural populations. Nature. 2026 Apr 15. doi: 10.1038/s41586-026-10350-9. Epub ahead of print. PMID: 41986713.

來源 | Nature、brainnews

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