圖9.負(fù)向與正向氧響應(yīng)成分的空間特性。 A、LGN記錄位點(diǎn)群體(n=34)的擬合優(yōu)度(R)值。每個(gè)記錄位點(diǎn)的平均氧響應(yīng)(每種刺激條件對(duì)應(yīng)1個(gè))采用圖7所示模型進(jìn)行擬合。使用四個(gè)自由參數(shù)(σn、σp、gn和gp)同時(shí)擬合所有氧響應(yīng)。虛線代表擬合優(yōu)度閾值,僅當(dāng)R值高于此閾值時(shí),擬合所得參數(shù)才會(huì)在下文展示。B、C、根據(jù)公式 15(見(jiàn)結(jié)果部分)通過(guò) σn 和 σp 計(jì)算得出的負(fù)向(B)與正向(C)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)的估計(jì)半高全寬(FWHM)值。每個(gè)直方圖展示L GN記錄位點(diǎn)群體參數(shù)值的分布情況。 B圖中排除了組織氧含量無(wú)顯著負(fù)向變化(p<0.001, t檢驗(yàn))的記錄位點(diǎn)數(shù)據(jù)。負(fù)向與正向PSF的平均值(箭頭標(biāo)示)分別為0.14±0.07毫米和1.35±0.6毫米。群體平均值計(jì)算時(shí)已排除右側(cè)極端異常值。

盡管上述分析表明兩個(gè)估計(jì)的寬度參數(shù)存在明顯差異，但具有單個(gè)寬度參數(shù)的模型可能同樣很好地?cái)M合我們的數(shù)據(jù)。為了檢驗(yàn)這種可能性，我們?cè)谝韵录s束下重新擬合了LGN數(shù)據(jù)：σn = σp。這將自由參數(shù)的數(shù)量減少到三個(gè)，并強(qiáng)制神經(jīng)響應(yīng)在相同的組織體積上求和。使用此模型的擬合不如從無(wú)約束模型獲得的擬合好，尤其是在引起強(qiáng)勁負(fù)向響應(yīng)的記錄位點(diǎn)。為了將這些擬合與無(wú)約束模型的擬合進(jìn)行比較，我們使用F檢驗(yàn)來(lái)考慮略微不同的自由度。在寬度約束模型下，34個(gè)記錄位點(diǎn)中的18個(gè)擬合質(zhì)量顯著降低。當(dāng)比較整個(gè)群體的擬合時(shí)，擬合質(zhì)量的降低也是顯著的。兩種模型產(chǎn)生可比擬合的記錄位點(diǎn)通常具有較小的負(fù)向氧響應(yīng)，使得負(fù)向響應(yīng)分量對(duì)擬合幾乎沒(méi)有影響。從該分析中，我們得出結(jié)論，盡管負(fù)向響應(yīng)分量幅度較小，但獨(dú)立的PSF寬度對(duì)于解釋我們的氧測(cè)量結(jié)果是必要的。

討論

許多先前的研究報(bào)告了大腦感覺(jué)刺激后組織氧的增加和減少。在本研究中，我們將這些變化與神經(jīng)活動(dòng)的空間模式聯(lián)系起來(lái)。我們表明，局部神經(jīng)激活引起組織氧的單相負(fù)向變化，而較大的活性組織體積引起正向或雙相響應(yīng)。正向和負(fù)向氧響應(yīng)都被證明定位于神經(jīng)活動(dòng)的部位，但正向響應(yīng)表現(xiàn)出明顯更寬的PSF。

組織氧負(fù)向和正向變化的解釋

我們將氧響應(yīng)的負(fù)向分量解釋為源自局部活動(dòng)依賴(lài)性的CMRO?增加。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，在神經(jīng)響應(yīng)期間CMRO?至少適度增加。單獨(dú)來(lái)看，CMRO?的增加會(huì)導(dǎo)致組織氧的負(fù)向變化，但CBF或灌注毛細(xì)血管數(shù)量的任何增加都會(huì)抵消這種減少。我們推測(cè)，在氧響應(yīng)的負(fù)向部分期間，這些血管變化相對(duì)較小。

據(jù)我們所知，對(duì)負(fù)向氧響應(yīng)的唯一替代解釋是活動(dòng)依賴(lài)性的CBF減少。盡管最近有體外測(cè)量中活動(dòng)依賴(lài)性血管收縮的報(bào)告，并且CBF減少被認(rèn)為是用fMRI測(cè)量的持續(xù)負(fù)向BOLD響應(yīng)的基礎(chǔ)，但這些變化不太可能與神經(jīng)活動(dòng)的增加相關(guān)。實(shí)際上，有證據(jù)表明持續(xù)的負(fù)向BOLD響應(yīng)與神經(jīng)活動(dòng)的減少相關(guān)。此外，對(duì)活動(dòng)依賴(lài)性CBF變化的體內(nèi)研究報(bào)告稱(chēng)，CBF在神經(jīng)活動(dòng)增加期間增加，甚至在組織氧負(fù)向變化期間也是如此。鑒于本研究中觀察到的負(fù)向氧響應(yīng)特定于局部神經(jīng)放電率的增加，它們不太可能源自CBF的減少。通過(guò)類(lèi)似的推理，我們將氧響應(yīng)的正向分量解釋為源自活動(dòng)依賴(lài)性的CBF增加。另一種解釋是CMRO?在神經(jīng)活動(dòng)增加期間減少。然而，這樣的變化將與顯示相反結(jié)果的研究相悖。

血流動(dòng)力學(xué)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)

我們定義了一個(gè)合理的模型，通過(guò)該模型，組織氧的變化可能與神經(jīng)活動(dòng)在空間上耦合。該模型的一個(gè)核心假設(shè)是組織氧的變化由兩個(gè)響應(yīng)分量組成。我們的數(shù)據(jù)表明，正向響應(yīng)PSF明顯寬于負(fù)向響應(yīng)。這一結(jié)果解釋了在神經(jīng)活動(dòng)的局部變化期間觀察到的負(fù)向氧響應(yīng)，以及空間擴(kuò)展性激活引起的正向氧響應(yīng)。一個(gè)PSF寬度相同的類(lèi)似模型無(wú)法解釋這些觀察結(jié)果。

我們的結(jié)果與先前的光學(xué)成像和fMRI研究一致，這些研究得出結(jié)論，血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)最具空間特異性的成分與CMRO?的早期增加有關(guān)。這些先前研究的結(jié)論基于一個(gè)被稱(chēng)為“初始下降”的早期響應(yīng)成分的優(yōu)越空間特異性，該成分被認(rèn)為反映了CMRO?的變化。其他研究挑戰(zhàn)了對(duì)初始下降的解釋?zhuān)赋鏊部赡茉醋造o脈隔室內(nèi)的快速CBV增加。此外，有人提出初始下降的特異性可能是由于測(cè)量時(shí)間較早，而不是其起源機(jī)制的結(jié)果。我們當(dāng)前的研究解決了這兩個(gè)問(wèn)題。由于純粹的CBV變化不會(huì)改變血液的氧飽和度或組織中的氧分壓，因此我們的傳感器觀察到的組織氧的負(fù)向變化不能歸因于CBV的增加。此外，我們的正向和負(fù)向響應(yīng)幅度測(cè)量是從相同的時(shí)間點(diǎn)獲得的。因此，我們?cè)谡蚝拓?fù)向響應(yīng)分量之間觀察到的特異性差異不能歸因于測(cè)量時(shí)間的差異。我們還發(fā)現(xiàn)我們的結(jié)果擴(kuò)展到LGN，因此不是視覺(jué)皮層或依賴(lài)于柱狀組織的激活范式的特殊屬性。然而，我們不能排除用光學(xué)成像和fMRI技術(shù)觀察到的初始下降至少部分地源于不同機(jī)制的可能性。

大腦血流動(dòng)力學(xué)模型

本研究中描述的模型對(duì)觀察到的組織氧變化背后的生理機(jī)制做了很少的假設(shè)。我們主要關(guān)注氧響應(yīng)的時(shí)空特性，而不是CBF、CBV和CMRO?之間的潛在相互作用。已經(jīng)提出了幾個(gè)生物物理模型來(lái)解釋這些生理機(jī)制，但只有少數(shù)預(yù)測(cè)了活動(dòng)依賴(lài)性的組織氧變化，并且沒(méi)有一個(gè)考慮神經(jīng)活動(dòng)的空間模式。盡管更復(fù)雜，但包含組織氧動(dòng)力學(xué)的模型能夠解釋比那些不包括的模型更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些模型還提供了一種生物學(xué)上合理的機(jī)制，通過(guò)該機(jī)制，在神經(jīng)活動(dòng)期間，血流量和氧消耗的變化可能解耦。通過(guò)這種機(jī)制，細(xì)胞內(nèi)氧的儲(chǔ)備在氧消耗和輸送之間充當(dāng)緩沖。沒(méi)有這種儲(chǔ)備，血流量和氧化代謝的變化必須緊密耦合。我們當(dāng)前的結(jié)果支持組織中存在氧儲(chǔ)備，在血流量不增加的情況下可以動(dòng)用。然而，在活性神經(jīng)元體積超過(guò)幾百微米的情況下，CBF的增加超過(guò)CMRO?，組織氧水平傾向于上升而不是下降。

對(duì)功能性腦成像的意義

我們的結(jié)果表明，基于初始下降的神經(jīng)成像技術(shù)的最終空間分辨率可能在幾百微米的量級(jí)，而基于CBF的技術(shù)可能限制在幾毫米。盡管通過(guò)差分成像技術(shù)或選擇性激發(fā)，可能在更精細(xì)的空間尺度上準(zhǔn)確定位活動(dòng)焦點(diǎn)，但本文報(bào)告的PSF寬度限制了在單個(gè)刺激條件下分辨潛在神經(jīng)活動(dòng)模式的能力。重要的是要注意，我們的PSF估計(jì)沒(méi)有考慮許多可能顯著降低空間分辨率的因素。這些因素包括成像硬件的限制、低信噪比、受試者運(yùn)動(dòng)以及血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的變異性。關(guān)于初始下降，已知其特異性在響應(yīng)的最初幾秒內(nèi)會(huì)降低，因?yàn)檠簭母浇拿?xì)血管排入相對(duì)較遠(yuǎn)的小靜脈和靜脈。因此，基于初始下降的神經(jīng)成像研究需要同時(shí)具有高空間和時(shí)間分辨率才能實(shí)現(xiàn)空間特異性的優(yōu)勢(shì)。雖然用光學(xué)成像技術(shù)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)這種分辨率，但對(duì)于fMRI來(lái)說(shuō)目前非常困難。

為了規(guī)避其中一些問(wèn)題，基于CBF或CBV變化的技術(shù)可能是高分辨率神經(jīng)成像的更實(shí)用替代方案。相對(duì)于血氧信號(hào)，CBF和CBV的直接測(cè)量更容易解釋。CBV的變化也報(bào)告為大于血氧的變化，并且不會(huì)從其起源點(diǎn)漂移。一個(gè)缺點(diǎn)是，如果不采取措施減少其影響，中小型血管內(nèi)的變化可能導(dǎo)致實(shí)質(zhì)性的血管偽影。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集和后處理方法來(lái)強(qiáng)調(diào)CBF和CBV響應(yīng)的毛細(xì)血管床成分，該成分似乎很好地定位于潛在的神經(jīng)響應(yīng)。本研究中估計(jì)的正向響應(yīng)PSF的寬度與CBF和CBV響應(yīng)定位良好的發(fā)現(xiàn)一致，因?yàn)樵S多寬度低于1毫米。然而，我們的數(shù)據(jù)表明，CBF響應(yīng)的特異性受到初始下降不受限制的方式限制，并且在某些情況下，CBF響應(yīng)可能不足以實(shí)現(xiàn)亞毫米空間分辨率。