功能磁共振成像（fMRI）技术已被广泛应用于人脑神经活动的定位，但以往的研究主要关注脑灰质功能，而普遍忽略白质的功能信号。最近的研究表明，脑白质的fMRI血氧水平依赖（BOLD）信号在静息态和特定任务态下呈现不同模式，可能与潜在的神经活动有关，而且白质BOLD信号的功能连接形成稳定的网络结构1-4。但白质BOLD功能连接是否反映底层的颅内白质电生理信号的同步及其结构基础尚不清楚。
2023年6月9日，首都医科大学宣武医院赵国光院长团队与北京脑科学与类脑研究中心崔再续团队合作在Nature Communications发表题为“Intracranial electrophysiological and structural basis of BOLD functional connectivity in human brain white matter”的研究，为白质BOLD功能连接的神经电生理和结构连接基础提供证据。
本研究采用16名难治性癫痫患者的多模态脑影像数据集，每位患者因手术需要都在宣武医院神经外科完成了颅内电极（SEEG）植入。此外，在植入电极前采集了结构MRI、静息态fMRI和高质量扩散谱成像。SEEG立体定向电极植入大脑中，记录了广泛的白质区域的颅内局部场电位信号。本研究基于颅内脑电、静息态fMRI以及扩散谱成像构建脑白质的颅内SEEG功能连接、非侵入的BOLD功能连接以及基于白质纤维的结构连接，并进一步研究白质BOLD功能连接的神经电生理基础与结构基础。
图1：对单个被试分析，发现BOLD和SEEG白质功能连接的相关在多个频段稳定存在。
图2：所有16名被试的多个频段中BOLD和SEEG白质功能连接之间的相关性。
结果表明，每位被试的白质BOLD功能连接与白质SEEG功能连接在多种频带范围内高度相关，表明白质BOLD功能连接具有底层的神经电生理基础。图1中a呈现了两例白质脑区BOLD功能连接与颅内SEEG功能连接（功能连接即两个脑区时间序列的相关性），b呈现了一例被试的BOLD功能连接与1-4 Hz频段下的SEEG功能连接矩阵，c图表明这两个矩阵具有显著相关，d图表明BOLD功能连接与不同频段下的SEEG功能连接都具有显著相关。我们发现所有16个被试上白质BOLD功能连接与不同频段下SEEG功能连接相关，其中绝大部分相关性经过多重比较矫正后仍保持显著（图2）。进一步分析表明白质的BOLD和SEEG功能连接均与其结构连接相关，印证了功能连接受结构连接约束（图3）。这些结果在不同被试间表现出稳定的可重复性。
图3：BOLD和SEEG白质功能连接的白质纤维结构连接基础。
本研究为白质BOLD功能连接提供了神经电生理和结构基础的证据，表明白质BOLD功能连接反映底层的神经元集群局部场电位信号的同步，并受到结构连接基础的限制。研究结果为从白质BOLD功能连接这一新颖的角度研究人类认知及各类神经精神疾病的生物学标记提供了基础。
论文信息
北京脑科学与类脑研究中心崔再续实验室副研究员黄亚丽、宣武医院魏鹏虎主任、与北脑博士生徐龙洲为该论文的共同第一作者；宣武医院院长赵国光与北脑研究员崔再续为共同通讯作者。其他作者为：陈德生、杨彦枫、宋闻凯、易阳洋、贾晓利、吴国伟、樊青晨。感谢Vanderbilt大学丁肇华老师和Indiana大学于美辰老师的帮助。研究得到国家科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目青年科学家项目、国家自然科学基金、北京市科技新星、以及北脑经费等的支持。
参考文献
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论文链接
010-86738999
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