Nature重磅：fMRI的底層假設錯了嗎？UCL團隊揭示全腦血液供應受兩類對立神經元調控

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基本信息

Title:Brainwide blood volume reflects opposing neural populations

發表時間:2026-4-15

發表期刊:Nature

影響因子:48.5

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研究背景

功能性磁共振成像（fMRI）等腦成像技術建立在一個核心假設之上：神經血管耦合（neurovascular coupling）。簡單來說，就是當某處腦區的神經元活躍時，該區域的血液供應也會隨之增加。

然而，隨著研究的深入，這個看似完美的假設出現了裂痕。研究者們發現，神經活動與血流之間的關系在不同腦區似乎并不一致，有時甚至會出現負相關；同時，在清醒、非快速眼動睡眠（NREM）或快速眼動睡眠（REM）等不同大腦狀態下，這種耦合關系也會發生改變。難道大腦在不同區域和不同狀態下，使用的是完全不同的“供血規則”嗎？

導致這些爭議的一個關鍵點在于，過去的研究大多將局部腦區的神經活動視為一個“整體（bulk）”，只測量平均放電率。但大腦并不是一個整齊劃一的合唱團，不同類型的神經元對行為和狀態的反應可能截然不同。如果只看平均分，我們可能會錯過真正驅動血管反應的關鍵細胞群體。

為了解開這個謎團，近日，倫敦大學學院（UCL）的研究團隊在 Nature 發文，將功能性超聲成像（fUSI）與高密度神經探針（Neuropixels）結合，在全腦尺度上同時觀測了小鼠的血容量波動與單神經元放電。他們試圖回答：如果我們不再只看“整體活動”，而是深入到具體的神經元群體，神經血管耦合的規律是否會迎來統一？

研究核心總結

這項研究并沒有停留在單一腦區，而是利用小鼠的“胡須運動（whisking）”作為大腦覺醒（arousal）狀態的天然指標，系統拆解了全腦血流變化背后的細胞級驅動力。

一、覺醒事件會引發全腦血容量的“雙相”波動

研究者首先使用 fUSI 技術監測了小鼠在頭部固定狀態下的全腦血容量。他們發現，當小鼠出現短暫的胡須運動（代表覺醒水平短暫升高）時，大腦幾乎所有區域的血容量都會出現一種高度一致的模式：先是迅速增加，大約 2 秒后又出現明顯的下降。

這種“先升后降”的雙相動態不僅存在于皮層，也廣泛存在于海馬、丘腦、中腦等深部腦區。這說明，覺醒狀態的改變能夠驅動一種全腦級別的、具有特定時間規律的血流重分配。

Fig 1. 無論是在皮層還是深部腦區，短暫的胡須運動都會引發全腦血容量先上升后下降的刻板波動模式。

既然血流出現了先升后降的波動，那么局部的神經活動是否也是如此？研究者在進行 fUSI 成像的同時，將 Neuropixels 探針插入了小鼠的初級視皮層和海馬體，記錄了數百個神經元的活動。

傳統的神經血管耦合模型通常將“整體平均放電率”輸入一個單相的血流動力學響應函數（HRF）來預測血流。但結果顯示，這種基于整體活動的方法失效了。在胡須運動期間，整體放電率確實有所上升，但用它預測出來的血流變化只是一條平緩上升的曲線，完全丟失了真實血流數據中快速上升和隨后下降的復雜動態。這暗示，把所有神經元混為一談，掩蓋了真正重要的信號。

Fig 2. 傳統的“整體放電率”模型只能預測出平緩的血流增加，無法重現真實觀測到的快速且雙相的血容量波動。

既然整體活動行不通，研究者將目光投向了神經元內部的差異。他們發現，面對覺醒（胡須運動），神經元分化成了兩個陣營：一類在覺醒時放電增加（Arousal+ 神經元），另一類在覺醒時放電減少（Arousal- 神經元）。

最關鍵的發現是，這兩類神經元與血管的耦合方式（HRF）截然不同。雖然它們都能引起血管擴張（正向 HRF），但 Arousal+ 神經元的血管響應非常迅速且短暫，而 Arousal- 神經元的血管響應則更慢、持續時間更長。

當把這兩類神經元的活動分別通過它們專屬的 HRF 進行過濾并相加后，奇跡出現了：這個“組合模型”不僅完美復現了覺醒時血流先升后降的雙相動態，還能精準預測小鼠在 REM 睡眠、NREM 睡眠、安靜清醒和活躍清醒等所有大腦狀態下的血容量變化。

Fig 3. Arousal+ 和 Arousal- 神經元具有不同時間特性的血流動力學響應函數，結合這兩者的活動，能比整體放電率更精準地預測局部血容量。

Fig 4. 組合模型成功解釋了為什么在 REM 睡眠期血容量最高，而在活躍清醒期血容量處于中等水平，證明該機制跨越了所有大腦狀態。

如果這兩類神經元主導了血流，那為什么以前的研究會發現不同腦區的血流反應不一樣？為了回答這個問題，研究者引入了國際大腦實驗室（IBL）的全腦 Neuropixels 記錄數據，分析了全腦 50 多個腦區中這兩類神經元的分布。

結果表明，Arousal+ 和 Arousal- 神經元廣泛共存于大腦的每一個角落，但它們的“比例”在不同腦區大相徑庭。例如，丘腦中 Arousal+ 神經元占據絕對主導，而聽覺皮層中 Arousal- 神經元的比例則異常高。

正是這種細胞組成比例的差異，決定了不同腦區在面對同一次覺醒事件時，展現出不同幅度甚至不同方向的血流變化。只要知道了某個腦區里這兩類神經元的比例，就能準確預測該腦區的血流反應。

Fig 5. Arousal+ 和 Arousal- 神經元遍布全腦，但它們在不同腦區（如視覺皮層與丘腦）的相對豐度存在顯著差異。

Fig 6. 只要掌握了局部腦區中 Arousal+ 與 Arousal- 神經元的比例，就能比使用局部整體放電率更準確地預測全腦各區域的血容量變化。

研究意義

這項研究為認知神經科學和腦成像領域解決了一個長期的基礎性爭議。它告訴我們，神經血管耦合的底層規則并沒有在不同腦區或不同睡眠狀態下發生改變。過去我們看到的那些“不一致”和“矛盾”，是因為我們錯誤地將所有神經元當成了同質的整體。

從理論意義上看，這項工作提出了一個優雅的統一框架：全腦血流動力學實際上是由兩類對覺醒反應相反、且具有不同血管耦合時間特性的神經元群體共同塑造的。不同腦區血流反應的差異，本質上是細胞群落結構的差異。

從方法學和應用啟發來看，這極大地改變了我們對 fMRI（BOLD 信號）的解釋方式。當我們看到某個腦區的 BOLD 信號下降時，它可能并不代表該區域發生了整體性的神經抑制，而僅僅是因為該區域富含 Arousal- 神經元，且大腦正處于特定的覺醒狀態轉移中。未來的腦成像研究在解釋宏觀血流信號時，將不得不把底層微觀的細胞類型比例納入考量邊界。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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