摘要

大腦中氧氣水平與神經活動之間的關系是功能性神經成像技術的基礎。我們使用微電極傳感器在貓的外側膝狀體核和視覺皮層上，以精細的空間尺度檢查了這種關系。該傳感器可同時、同位置地測量組織中的氧分壓和組織氧以及多單元神經活動。在使用該傳感器進行的先前工作中，我們發現組織氧的變化強烈依賴于神經激活的位置和空間范圍。具體來說，微電極附近的局灶性神經活動引起組織氧的降低，而我們傳感器視野之外的空間擴展性激活則主要產生增加。在當前的研究中，我們報告了一組擴展的測量結果，以量化神經響應與組織氧變化之間的時空關系。出于數據分析的目的，我們建立了一個定量模型。該模型假設組織氧的變化由兩個響應分量（一個為正，一個為負）組成，其幅度由不同空間尺度上的神經活動決定。我們從視覺皮層和LGN獲得的測量結果與該模型一致，并表明正響應在1-2毫米的距離上擴散，而負分量則局限于幾百微米之內。這些結果與產生功能性腦成像信號的機制直接相關，并對其空間特性施加了限制。

引言

功能性神經成像技術被廣泛用于研究人類和動物的大腦功能。這些技術通過由血管和代謝機制共同影響的大腦血流動力學的局部改變來推斷神經活動的變化。例如，通過功能性磁共振成像測量的血氧水平依賴信號受到腦血流量、腦血容量和腦氧代謝率變化的影響，其中每一項在神經響應期間都被認為會增加。這使得神經成像信號的變化難以解釋，因為給定的變化可能以多種方式產生。

為了改善腦成像信號的可解釋性，已經發展了大腦血流動力學的生物物理模型。這些模型假設了給定神經響應與預測的血流動力學響應之間的定量轉換。它們通常定義CBF、CBV和CMRO?之間的時間相互作用，但常常忽略可能的空間相互作用。一個隱含的假設是，這些變量的活動依賴性變化對其血流動力學信號的影響具有相似的點擴散函數。盡管最近的研究廣泛考察了這一假設，但目前對其有效性尚無共識。

大多數檢查腦成像信號空間特異性的研究依賴于初級感覺皮層的柱狀結構來控制精細空間尺度上的神經響應。然而，這種方法是有局限的，因為已知亞閾值神經響應會擴散到激活柱的邊界之外，使得血流動力學響應的擴散難以解釋。最近，我們引入了一種微電極技術，能夠同時、同位置地測量組織氧和多單元神經活動。該技術允許對LGN等深層腦結構進行測量，在這些結構中，神經響應的空間控制精度可以比在皮層中更高。LGN是丘腦的一個視覺區域，具有精確的視網膜拓撲組織和小感受野。LGN中的放大系數范圍在每度視覺角度0.1到0.5毫米組織之間。在當前的研究中，我們利用LGN的這些特性來改變相對于我們傳感器的神經活動模式。我們結合使用氧和神經測量以及一個簡單的線性模型來量化神經活動與組織氧之間的時空關系。我們的結果表明，對神經活動的血管和代謝響應表現出相似的時間特性，但空間特性有顯著不同。

材料與方法

生理準備

所有程序均符合神經科學學會關于動物使用的政策。本研究共使用14只貓。動物通過靜脈導管用硫噴妥鈉麻醉，對每只動物個體確定連續輸注速率。在手術期間根據需要給予補充劑量的硫噴妥鈉。氣管切開術后，將每只動物置于立體定位儀中，并用25% O?和75% N?O進行人工通氣，速率調整為維持呼出的CO?水平在30至40毫米汞柱之間。在每個半球上進行開顱手術，坐標分別為A6 L9用于LGN記錄，P4 L2用于視覺皮層記錄。開顱術后，反射硬腦膜以暴露皮層。記錄期間，通過連續靜脈輸注溴化潘庫溴銨來阻斷眼動。通過以4毫克/千克/小時的速率連續輸注含2.5%葡萄糖的乳酸林格氏液來維持水合作用。將1%硫酸阿托品和2.5%鹽酸去氧腎上腺素滴劑應用于眼睛以擴大瞳孔和縮回瞬膜。記錄期間，帶有4毫米人工瞳孔的硬性隱形眼鏡覆蓋眼睛。每12小時給予氯霉素，每6小時給予格隆溴銨，分別用于預防感染和抑制分泌物。將微電極傳感器定位在目標腦位置上方后，用瓊脂和蠟涂層密封開顱處。每只動物被放置在一面鏡子系統前，該系統將每只眼睛的視野引導到陰極射線管顯示器的不同一半。從屏幕到動物的光學距離為42厘米。定期用可逆檢眼鏡將每只眼睛的視盤投射到視覺顯示器上，并記錄其位置。我們使用這些測量來估計感受野相對于中心凹的位置。

雙用途微電極傳感器

使用克拉克式極譜氧傳感器和一個相鄰的鉑微電極進行記錄，它們被封裝在雙管微管的不同管腔內。氧傳感器相對于一個Ag/AgCl參比電極在-0.8 V極化。這會產生與傳感器尖端周圍氧分壓線性相關的電流。傳感器通過在38°C的0.9%鹽水中用不同比例的氧氣和氮氣鼓泡進行校準。所有傳感器均表現出線性的氧氣校準曲線，靈敏度在3至19 pA/kPa之間。氧傳感器的90%響應時間在0.9到2.5秒之間，大多數傳感器接近1秒。神經電極的阻抗在0.6到2 MΩ之間，具體取決于傳感器。本報告中使用的實驗總共使用了四個不同的傳感器。

根據制造商的說法，氧傳感器的傳感區域是一個直徑約60微米的球形區域。因此，在體內測量的氧信號可能代表來自少量毛細血管的血管、細胞外和細胞內區室的氧分壓的加權平均值。在這里，我們將此信號稱為“組織氧”，并將該信號的活動依賴性變化的平均值稱為“氧響應”。與光學成像和BOLD信號對血管中總脫氧血紅蛋白量敏感不同，組織氧的測量反映了固定體積組織內的氧分壓。該信號主要對CBF、CMRO?和灌注毛細血管數量的變化敏感。