研究表明大脑像共振室一样工作

神经影像学研究已经有20多年了 - 使用功能磁共振成像(fMRI)，一种广泛使用的技术来捕获大脑活动的实时视频 - 一直在检测大脑范围内相关大脑活动的复杂模式，这些模式似乎在各种神经和精神疾病中被破坏。这些模式是自发形成的，即使在没有执行特定任务的休息时也是如此，并且不仅在人类中而且在哺乳动物(包括猴子和啮齿动物)中都检测到。

尽管在世界各地的神经影像学中心一致检测到这种相关激活的空间模式，但这些相关性的性质尚不清楚。“我们还不完全了解大脑如何进行长距离交流。我们知道远处区域表现出信号相关性，并且它们与大脑功能有关，但我们并不完全了解它们的性质“，里斯本尚帕利莫基金会临床前MRI实验室的首席研究员Noam Shemesh说，他是今天(6年2023月<>日)发表在《自然通讯》杂志上的一项研究的高级作者。

“在这项研究中，我们想了解这些相关性背后的原因，并调查所涉及的机制，”Shemesh强调说。

许多理论著作提出，这些模式可以通过驻波(其峰值和波谷在空间中不移动)在大脑结构中产生共振来解释，即通过类似于乐器振动模式的波来解释。但是由于fMRI的时间分辨率差，几乎没有实验证据支持这一假设，每秒只能达到一两个图像。“如果我们能发现空间模式振荡，这将为共振假说提供支持证据，”该研究的第一作者Joana Cabral说，他来自米尼奥大学生命与健康科学研究所，自2019年以来一直是Shemesh实验室的访问科学家。

因此，该团队所做的是加速图像采集，他们发现远处大脑区域的信号实际上在时间上一起振荡。“这些振荡模式看起来像乐器中共振模式的高维类似物;它们类似于混响，类似于大脑内部的回声“，卡布拉尔说。

“我们的数据显示，复杂的空间模式是瞬时和独立振荡的基础模式的结果，就像单个乐器参与在管弦乐队中创建更复杂的作品一样，”Shemesh说。“不同的模式，每个模式在不同的时间尺度和不同的波长下为整体图像做出贡献，可以加在一起，产生类似于实验观察到的复杂的宏观模式[见下文]。据我们所知，这是第一次用fMRI捕获的大脑活动被重建为驻波的叠加“，他指出。

因此，这项新研究强烈指出了这些共振波或模式在大脑功能中的关键作用。作者认为，这些共振现象是整个正常大脑功能所需的连贯、协调的大脑活动的根源。

超快磁共振成像

研究人员在处于静止状态的大鼠中检测到共振模式，这意味着动物不会受到任何特定的外部刺激。事实上，不需要任何任务，因为如前所述，即使我们(以及一般的哺乳动物)没有特别做任何事情，我们的大脑也会继续产生可以被功能磁共振成像捕获的自发活动模式。

为了可视化振荡，研究人员在Shemesh的实验室中使用强大的超高场实验MRI扫描仪创建了活动的“视频”，并进行了该实验室前段时间开发的用于其他目的的超快实验。

“诺姆和我在 2019 年相识，我们决定以我们实验室的 9.4 特斯拉扫描仪所能达到的最大时间分辨率记录大脑活动”，卡布拉尔回忆道。“诺姆设计了实验，弗朗西斯卡·费尔南德斯(Francisca Fernandes)[该研究的第三作者]进行了实验，我做了数据分析和可视化。Noam设法实现了每秒26张图像的时间分辨率，因此每16分钟扫描获得000，10张图像(而不是每秒一张图像的典型分辨率下的600张图像)。

像海洋中的波浪

“当我们第一次看到记录的大脑活动视频时，我们看到了清晰的活动波，就像海洋中的波浪一样，在皮层和纹状体(前脑的皮层下区域)内以复杂的模式传播，”卡布拉尔说。“我们发现，信号可以通过少量宏观静止波或共振模式的叠加来描述，这些模式在时间上振荡。值得注意的是，发现每个驻波覆盖大脑的扩展区域，峰值分布在不同的皮层和皮层下结构中，形成功能网络。

研究人员在三种不同的条件下对大鼠进行了实验：镇静，轻度麻醉和深度麻醉。(事实上，这些动物在休息状态下被轻轻镇静，以避免对它们造成任何不适。“这些静止波的空间配置在相同条件下扫描的大鼠中非常一致，”Cabral指出。

Shemesh补充说：“我们发现大脑功能网络是由共振现象驱动的。这解释了在进行慢速成像时观察到的相关性。远程大脑互动受振荡和重复的信息'流'支配。

病理状态

他们还发现，增加麻醉剂的量会减少共振静止波的数量、频率和持续时间。如前所述，先前的研究表明，某些大脑激活模式在意识障碍中不断改变。因此，卡布拉尔说，这种实验设计实际上也是为了模仿不同的病理状态。

“功能网络似乎在几种神经和精神疾病中被破坏，”她指出。她推测，如果在人类中得到证实，他们的结果也可能导致使用共振模式作为疾病的生物标志物。

“我们的研究还为观察疾病提供了新的'线索'，”Shemesh证实。“我们知道远程大脑活动在疾病中受到强烈影响，但我们不明白为什么或如何。了解长期相互作用的机制可能会导致一种全新的方法来表征疾病并暗示可能需要的治疗类型：例如，如果患者缺少特定的共振模式，我们可能希望找到刺激该特定模式的方法。

研究人员同意，显然需要更多的工作来证实所有这些结果，以及它们是否可以在人类中复制。但是“一旦我们更好地了解了功能网络的本质，我们就可以设计明智的策略来调节这些网络模式，”Cabral说。

这正是研究人员新项目“BRAINSTIM：预测刺激策略以调节大脑区域之间相互作用”的主题。该项目由“la Caixa”基金会和葡萄牙BPI银行资助，耗资300万欧元，是米尼奥大学生命与健康科学研究所与尚帕利莫基金会之间的合作项目，旨在更好地了解不同的药理学和电磁脑刺激对这些宏观振荡模式调制的影响。