觉醒相关的皮层网络与神经活动和血流动力学的差异耦合
与觉醒相关的皮层网络在神经活动和血流动力学中的差异耦合
学术背景
在没有特定感官输入或行为任务的情况下，大脑会产生结构化的活动模式。这种组织化的活动会受到觉醒状态的调节。觉醒与大脑皮层活动的关系对于理解神经网络的功能具有重要意义。先前的研究表明，觉醒水平会影响神经活动和血流动力学变化，但这些影响在不同皮层区域和行为状态下是否一致还不清楚。
论文来源
这篇论文由Lisa Meyer-Baese等人撰写，作者隶属于Emory University和Georgia Tech的生物医学工程系和生物学系。这篇论文于2024年5月在《Journal of Neuroscience》上发表。
研究流程
本文研究使用了广视野电压成像技术，研究了觉醒状态如何与自发行为头部固定的小鼠皮层网络电压和血流动力学活动相关联。这项研究包括以下几个关键步骤：
动物模型的准备和成像技术
使用表达电压敏感荧光蛋白(VSFP)的转基因小鼠，通过广视野电压成像技术记录小鼠头部固定在觉醒状态下的电压和血流动力学活动。小鼠被置于限制状态，使用VSFP-Butterfly传感器进行荧光成像。
数据采集与处理
成像实验中，记录了小鼠面部视频以追踪或面运动和瞳孔直径变化。分析过程通过对荧光信号进行增益校正来区分电压信号和血流动力学信号。每次成像实验的时间序列信号经过滤波和解耦处理，以消除噪声和非生理信号的影响。
电压成像与血流动力学信号的验证
为了验证电压和血流动力学信号，通过给小鼠施加空气冲击刺激，记录右桶状皮层的响应。与空气冲击刺激相关的信号显示出的特征符合预期，即电压信号表现出快速双相响应，而血流动力学信号则显示慢速反应。这些结果表明，通过VSFP成像技术能够可靠地捕捉神经活动和血流动力学变化。
研究主要结果
觉醒状态与全球皮层信号
研究发现，全球电压信号与瞳孔直径变化显著相关，峰值相关系数约为0.5，而全球血流动力学信号与瞳孔直径变化的相关系数约为0.25。这表明大脑皮层的觉醒状态与总体神经活动的偶联关系更紧密。
区域性皮层活动与瞳孔直径的关系
不同皮层区域的电压和血流动力学信号与瞳孔直径的相关性不同。电压信号与瞳孔直径变化在大多数感觉-运动皮层区域呈现正相关，而在前额皮层则显现出负相关。另一方面，血流动力学信号在感觉-运动皮层区域也表现出正相关，但在前额皮层的相关性较弱。
结论
这项研究表明，觉醒状态对皮层网络的调节是动态变化的，且电压信号和血流动力学信号之间的功能网络仅部分重叠。研究揭示了在不同频率下觉醒状态对神经活动和血流动力学活动的差异影响，强调了在解释血流动力学信号时需要考虑行为状态的影响。
研究亮点
技术创新：使用广视野电压成像技术，结合VSFP-Butterfly传感器，首次实现了对电压活动和血流动力学信号的同步记录。
觉醒状态的复杂影响：揭示了觉醒对皮层网络电压和血流动力学活动的时空动态调节，表明不同频率和行为状态下的差异耦合。
区域性分析：具体分析了不同皮层区域的电压和血流动力学信号与觉醒状态的相关性，提供了对功能网络的更深入理解。
未来方向
未来研究应进一步探讨去卷积方法对脑血流动力学信号的影响，结合更高帧率的行为跟踪技术，以捕捉更精细的行为变化对皮层活动的影响。此外，还应关注去掉全局信号后的数据处理策略，以便更好地理解神经活动与血流动力学信号的本质关系。 这项研究为理解觉醒状态对大脑功能网络的动态调节提供了新视角，强调了在神经成像研究中考虑行为状态和频率依赖性的必要性。