多模态MRI揭示维持人类意识清醒状态的脑干连接

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脑科学的重大突破：多模态MRI揭示维持人类意识清醒的脑干连接

背景介绍

与意识和觉醒相关的脑干连接

意识包含觉醒（wakefulness）和意识（awareness）两个基本组成部分。尽管过去两十年科学家们已经取得了在大脑皮层网络方面的显著进展，进一步理解了意识中觉醒的神经解剖基础，但对于人类觉醒的皮层下网络（subcortical networks）的理解依然非常有限。这一认识领域的缺失部分原因在于传统神经影像技术的空间分辨率不足，无法区分脑干内的个别觉醒核（arousal nuclei），也难以描绘脑干与间脑、基底前脑及大脑皮层之间复杂的轴突连接轨迹。

研究来源

与意识和觉醒相关的脑干连接

该研究由Brian L. Edlow等人撰写，作者隶属于麻省总医院（Massachusetts General Hospital）和哈佛医学院（Harvard Medical School），并与多位来自不同机构的科学家合作。论文发表于2024年5月1日的《Science Translational Medicine》。

研究流程

该研究旨在绘制维持人类大脑觉醒的皮层下觉醒网络的连接情况，通过综合使用尸体外弥散磁共振成像（ex vivo diffusion MRI）和体内7-特斯拉静息态功能磁共振成像（in vivo 7-Tesla resting-state fMRI）数据，从而揭示维持人类意识觉醒的脑干连接。

研究主要步骤：

  1. 候选节点识别：研究首先通过既往的电生理学、基因表达、损伤实验和刺激实验确定了18个候选觉醒网络节点，包括脑干、丘脑、下丘脑和基底前脑的若干核。
  2. 弥散MRI数据采集：对从死亡正常人群中获得的三具大脑进行弥散MRI扫描，获取弥散加权图像、表观弥散系数图、各向异性分数图等。
  3. 脑部切片及免疫组织化学染色：使用特定染色方法识别和标记这些觉醒节点的位置。
  4. 弥散MRI追踪分析：通过确定性和概率性纤维追踪分析来揭示这些觉醒节点之间的结构性连接。
  5. 功能连接分析：结合来自Human Connectome Project的7-Tesla静息态功能MRI数据，分析这些觉醒节点之间的功能性连接。
  6. 结构功能结合：将结构性连接数据与功能性连接数据进行比对，探究觉醒与意识整合的解剖基础。

主要发现

  1. 觉醒网络的架构：

    • 识别了脑干、丘脑、下丘脑和基底前脑中可能的觉醒神经网络节点（DAAN）。
    • 确定了这些节点之间的投射、联系和连合路径。
    • 特别是发现中脑中的多巴胺能腹侧被盖区（VTA）作为一个关键的连接枢纽，既与皮层觉醒网络（DMN）也与皮层下觉醒网络（DAAN）相连。

  2. 连接的具体细节：

    • 通过弥散MRI确定，所有候选脑干节点至少与一个下丘脑、丘脑或基底前脑节点相连。
    • 采用概率性纤维追踪分析的连接概率（CP）确认了脑干节点与間腦和前脑节点的多条主要连接路径（DTTL、DTTM等）。

  3. 功能连接：

    • 基于7-Tesla静息态fMRI数据的分析，揭示了DMN与DAAN节点之间的广泛、复杂的连接关系。
    • 特别是多巴胺能VTA与DMN节点的功能连接强度极高，这种连接被认为在调节清醒状态中起到核心作用。

  4. 脑干连接的类型：

    • 确认了脑干节点间的丰富的联络路径和连合路径，这些联系不仅存在于单侧脑干中，也包括跨越中线连接双侧脑干节点的路径。

  5. 临床意义：

    • 研究结果将有助于理解昏迷病理机制和康复机制，甚至可能帮助确定维持人类意识觉醒所需的最小节点和连接组。

研究意义

该研究首次系统性地描绘了人类脑干觉醒网络的详细连接图谱，通过结合尸体外弥散MRI和体内高场强静息态fMRI，提供了人类意识状态中觉醒与意识整合的神经解剖基础。研究结果还为未来的昏迷病理机制和康复机制提供了关键数据基础，有望在临床上进行更针对性的治疗策略开发。

方法和材料

研究基于三具正常成年女性尸体的大脑样本（53岁、60岁和61岁），利用4.7-T和3-T MRI设备进行弥散成像，切片染色结合电镜技术进行节点标定，并通过先进的影像分析软件进行数据处理和连接分析。

以此为基础的多模态脑影像研究不仅为未来的认知神经科学研究提供了重要的解剖数据，也为临床神经病学的实践提供了新的前沿思路。