組織氧的活動依賴性變化

在兩項實驗的第一項中，我們通過不同尺寸和形狀的視覺刺激，改變了微電極尖端周圍產生的神經活動范圍。我們記錄了貓外側膝狀體核(LGN)的刺激誘導氧耗量與多單元神經響應。圖2展示了兩個示例記錄位點的刺激-響應對應關系。在前四種刺激條件下(圖2A-D)，盡管存在略微減弱的現象，但通過微電極測量的神經響應保持相對穩定。

圖2. 氧反應與LGN神經活動空間模式具有協同性。A-H展示了LGN中兩個示例記錄位點的神經測量與氧測量的刺激反應配對。首列呈現主導眼與非主導眼的漂移光柵刺激，A、F、G、H中的虛線圓表示感受野（RF）的位置與尺寸。第二和第四列分別代表左右LGN矢狀切面的透視視圖，由刺激引發的模擬神經激活模式以藍/綠色呈現，其依據包括刺激參數、RF位置及貓LGN的視網膜拓撲圖譜。每個圖標中A層與C層（淺色）、A1層（深色）以及內側膝狀體核（灰色）均有標示，A和M分別表示前側與內側方向，水平標尺為1毫米。圖標中的白圈代表微電極傳感器位置。第三和第五列中，每個多單元神經反應（灰色填充）與氧反應（黑色）分別代表24次和32次試驗的平均值，虛線表示±1標準誤，紅線代表通過我們建立的神經活動模式與組織氧變化關系模型對氧反應的擬合。垂直標尺：示例1左側129峰/秒，右側9%氧變化；示例2左側80峰/秒，右側16%氧變化。

全視野光柵(圖2D)可能歸因于經典感受野周邊區域的抑制性影響。與之相反，隨著光柵尺寸的改變，組織氧響應的時間進程和神經激活的空間范圍產生了顯著效應。最小尺寸的光柵刺激僅引發極局部的神經活動增強，通常導致組織氧出現單相負向變化而不伴隨顯著正向變化(圖2A)。這種負響應強度在我們的樣本群體中存在差異，從單次試驗即可檢測的顯著變化到多次試驗平均后仍無顯著變化的情況均有出現。圖2中的示例1和示例2代表了我們所觀測到的典型負響應強度。較大尺寸的刺激通常引發雙相氧響應，包含初始的負向變化及后續的正向響應(圖2B-D)。但多數情況下，延遲出現的正向變化幅度遠大于早期負向變化，致使某些情況下難以檢測到負向變化(如圖2示例2所示)。

為中心的平均亮度掩模(圖2E-G)。這些刺激在LGN(外側膝狀體核)的大片區域引發了神經活動的增強，但排除了微電極尖端周圍的一小塊組織體積。該無活性組織體積的大小與掩模直接相關。由于感受野幾乎完全未被刺激，通過神經電極測得的尖峰頻率降至最低。最小的掩模刺激引發了組織氧含量的正向變化，而未出現明顯的初始負向響應。較大的掩模刺激引發了相似的時間進程，但振幅有所減小(圖2F,G)。

最后一種刺激條件(圖2H)是將大視野光柵刺激呈現于非優勢眼。設置此項測試旨在誘發不同的神經活動模式。由于外側膝狀體(LGN)細胞本質上是單眼驅動的，并按眼優勢分層排列，該刺激會引發微電極所在相鄰層內的神經活動增強。因此，微電極附近的神經反應較弱甚至完全缺失。對此刺激的血氧響應通常呈現單相正向時間進程，與掩蔽刺激引發的反應模式相似。

圖2所示的氧反應刺激依賴性在我們LGN記錄位點群體中(n=34)具有一致性。圖3展示了各刺激條件下正負響應幅度的分布情況，每個子圖中的虛線代表正負變化的等值線。值得注意的是，在小刺激條件下(圖3A)，多數數據點位于虛線下方;而在大視野刺激條件下(圖3D)，所有數據點均位于虛線上方。小掩膜刺激的數據點(圖3E)沿垂直軸聚集，表明存在強烈的正向響應而負向響應極小。同樣的聚集現象可見于圖3 H，該情況下顯著的神經活動僅出現在相鄰的LGN層中。

為探究負氧反應的空間特異性，我們改變了小視覺刺激相對于感受野(RF)的位置。圖4展示了兩個示例記錄位點的刺激-響應對。與首個實驗一致，當小光柵刺激中心對準感受野時，會引發單相負氧反應且無后續正成分(圖4A)。隨著刺激逐漸遠離感受野中心，活動軌跡相對于電極向前移動(圖4B-F)。當活動焦點遠離電極尖端時，負氧反應的強度隨之減弱。這一結果表明對于位于感受野(RF)鄰近位置的小刺激，未觀察到響應。

圖3. 首次LGN實驗的群體數據。A-H，刺激圖標（左側）與圖2中的圖標相同。每個散點圖（右側）對應于其左側圖標所描繪的刺激條件，并顯示所有記錄位點觀察到的氧含量變化。每個點代表特定記錄位點平均氧反應的最大負向（橫軸）與正向（縱軸）變化量。最大負向和正向變化分別限定在刺激開始后的前5秒和10秒內。部分超出圖表范圍的數據點（負向變化最高達-15%，正向變化達50%）已重新縮放至邊界以便顯示。各圖中的虛線表示氧含量正負變化相等的分界線。箭頭指示各分布的平均值。

為了檢查負向氧響應的空間特異性，我們改變了小視覺刺激相對于RF的位置。圖4顯示兩個示例記錄位點的刺激-響應對。與第一個實驗一樣，以RF為中心的小光柵刺激引起單相負向氧響應，沒有后續的正向成分。隨著刺激被逐漸定位得離RF中心更遠，活動的位點相對于電極向前移動。負向氧響應的幅度隨著活動焦點遠離電極尖端而減小。這一結果表明，負向氧響應很好地局限于神經活動的部位。

圖4. 刺激物相對于感受野(RF)的位置影響LGN中的氧和神經反應。A-F為另外兩個示例記錄位點的刺激-反應配對。刺激圖標表示與RF中心(虛線圓)不同距離的小幅漂移光柵。第二和第四列為各刺激所引發模擬活動模式的放大視圖。水平比例尺：1毫米。各圖標中的白圈表示微電極傳感器在組織中的估計位置，基于RF相對于中央凹的位置。第三和第五列中，多單元(灰色填充)和氧(黑色)反應分別代表56次和48次試驗的平均值。虛線表示±1標準誤。紅線表示使用我們建立的神經活動模式與組織氧變化關系模型對每個氧反應的擬合。垂直比例尺：示例3左側為60次/秒峰值，右側為8%氧變化；示例4左側為110次/秒峰值，右側為15%氧變化。A和M分別表示前側和內側方向。

圖5. 第二項LGN實驗的群體數據。A-F部分，刺激圖標（左側）與圖4中的圖標相同。每個散點圖（右側）對應于其左側圖標所描繪的刺激條件，并顯示所有記錄位點觀測到的氧含量變化。每個點代表特定記錄位點平均氧響應的最大負向（橫軸）與正向（縱軸）變化值。最大負向和正向變化分別限定在刺激開始后的前5秒和前10秒內。部分超出圖表顯示范圍（最低達-19%）的數據點已重新縮放至邊界位置以便呈現。各圖中的虛線表示氧含量正負變化相等的分界線。箭頭指示每個分布的平均值。