腦機啟偵 | 反向神經元群——解碼全腦血容量波動的關鍵密碼

通常認為腦組織血液供應依賴區域整體神經活動，且這種依賴關系隨腦區、腦狀態不同而有差異，但相關研究多以整體神經活動為指標。近日，倫敦大學Agnès Landemard在Nature發表相關研究論文。本研究同步檢測小鼠全腦神經元活動與血容量波動，發現二者關聯在不同腦狀態、腦區間保持一致，僅在兩類功能相反的全腦神經群體中存在差異。

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

圖1 覺醒狀態調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、中腦及腦橋區域，并逐腦區提取信號。小鼠頭部固定、可自主跑動并自發切換覺醒狀態。

實驗發現，以胡須抽動為標志的覺醒水平變化會引發全腦大范圍、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，結束后同步下降。各腦區效應整體一致，僅波動幅度與時程略有差異，如海馬上調持續時間較短，杏仁核、嗅覺區等腹側腦區響應更早。

基于胡須抽動信號構建線性預測模型，發現該覺醒相關因子可穩定解釋不同腦區、不同覺醒狀態下的血容量變化，且各腦區預測模式高度統一。綜上，以胡須活動為代表的覺醒水平，能夠普遍預測全腦血容量波動。

圖2 兩類反向神經元差異化介導血流動力學耦合

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

該雙神經元模型對血容量的預測精度顯著優于傳統整體神經活動模型，可完美復現血容量先升后降的雙相波動特征，在視覺皮層、海馬及自發、刺激等多種狀態下均穩定有效。經交叉驗證排除參數冗余干擾，單一神經元、隨機神經元分組、整體放電結合雙相響應、引入瞳孔覺醒指標等方式，均無法達到同等預測效果。綜上，腦區血容量波動的最優解釋，是兩類反向調控神經元各自獨立的血流耦合效應。

圖3 全腦廣泛分布的覺醒雙向神經元及其穩定表型

覺醒增強型與覺醒抑制型神經元以不同比例遍布全腦各區域。

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

二者動力學存在顯著差異：增強型神經元響應更快、峰值更早，抑制型神經元峰值滯后。該神經元分類屬性十分穩定，動物靜息、任務狀態下關聯特征不變，長期多天追蹤單個神經元，其覺醒相關特性也基本保持恒定。

總 結

本研究揭示了全腦兩類反向覺醒相關神經元的分布規律、響應特性及穩定性，推翻了“腦血容量依賴整體神經活動”的傳統認知，明確其由兩類神經元差異化血流耦合共同調控，為解析腦血流動力學與神經活動的關聯機制提供了全新視角，也為相關腦功能研究及神經疾病診療提供了重要理論依據。

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

參考文獻：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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