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基本信息

Title:BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex

發(fā)表時(shí)間：2025.12.16

發(fā)表期刊:Nature Neuroscience

影響因子：20.0

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研究背景

在過去的幾十年里，功能性磁共振成像（fMRI）幾乎成為了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的代名詞。

當(dāng)我們看到大腦掃描圖上某個(gè)區(qū)域亮起紅色的光斑（正激活）時(shí)，我們習(xí)慣性地認(rèn)為那里的神經(jīng)元正在“努力工作”；而當(dāng)區(qū)域呈現(xiàn)藍(lán)色（負(fù)激活）時(shí)，我們往往將其解讀為神經(jīng)活動(dòng)的抑制或“休息”。這種解讀的基石是經(jīng)典的 “神經(jīng)血管耦合（Neurovascular Coupling）” 理論：神經(jīng)元活動(dòng)增加會(huì)引發(fā)局部腦血流（CBF）的過量供應(yīng)，進(jìn)而沖淡脫氧血紅蛋白，導(dǎo)致 BOLD 信號(hào)上升。

然而，這種通過血流變化“間接”推測神經(jīng)活動(dòng)的方式，真的在全腦所有區(qū)域都適用嗎？長期以來，關(guān)于“負(fù)BOLD信號(hào)”的生理意義一直存在巨大爭議。特別是在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（DMN）等腦區(qū)，任務(wù)態(tài)下常見的信號(hào)下降是否真的代表神經(jīng)元停止了代謝活動(dòng)？如果大腦存在不同的代謝供能模式，那么我們基于經(jīng)典模型得出的無數(shù)腦科學(xué)結(jié)論，是否可能存在根本性的誤讀？

這項(xiàng) 2025年12月16日 發(fā)表于Nature Neuroscience的最新研究，利用先進(jìn)的多參數(shù)定量成像技術(shù)，直接挑戰(zhàn)了這一教科書式的假設(shè)。研究者們?cè)噲D回答一個(gè)觸及fMRI靈魂的問題：BOLD信號(hào)的降低，是否可能掩蓋了實(shí)際增加的氧代謝需求？

研究核心總結(jié)

本研究通過結(jié)合多參數(shù)定量fMRI（mqBOLD）與動(dòng)脈自旋標(biāo)記（pCASL）技術(shù)，在同一掃描時(shí)段內(nèi)同時(shí)測量了人腦的腦血流（CBF）、腦血容量（CBV）、氧攝取分?jǐn)?shù)（OEF）以及最能直接反映神經(jīng)能量消耗的指標(biāo)：氧代謝率（CMRO2）。

Fig. 1 | Study design, quantitative fMRI and the hemodynamic response model of BOLD fMRI.

核心發(fā)現(xiàn)：BOLD信號(hào)與氧代謝的廣泛“分離”

研究結(jié)果顯示，在全腦范圍內(nèi)，約有 40% 呈現(xiàn)顯著BOLD信號(hào)變化的體素，其氧代謝變化方向與BOLD信號(hào)完全相反。這種“不一致（Discordant）”現(xiàn)象在負(fù)BOLD信號(hào)區(qū)域尤為驚人：在執(zhí)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（DMN）等區(qū)域雖然表現(xiàn)出顯著的負(fù)BOLD信號(hào)（通常被解讀為去激活），但其氧代謝率（CMRO2）實(shí)際上卻顯著增加了。

這表明，負(fù)BOLD信號(hào)并不一定代表神經(jīng)活動(dòng)的減少或抑制，在許多情況下，它反而對(duì)應(yīng)著旺盛的神經(jīng)代謝活動(dòng)。

Fig. 2 | Negative ?BOLD does not indicate reduced oxygen metabolism.

機(jī)制解釋：大腦的兩種血流動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)模式

研究進(jìn)一步揭示了導(dǎo)致這種分離的生理機(jī)制，提出大腦皮層存在兩種截然不同的代謝調(diào)節(jié)模式：

1. 血流主導(dǎo)模式（Concordant/Canonical Mode）： 這是我們熟悉的經(jīng)典模式。神經(jīng)活動(dòng)增加引發(fā)腦血流（CBF）大幅涌入（過量供應(yīng)），其幅度遠(yuǎn)超氧代謝的需求。這種“供大于求”導(dǎo)致局部脫氧血紅蛋白濃度降低，從而產(chǎn)生正BOLD信號(hào)。

2. 氧攝取主導(dǎo)模式（Discordant Mode）：在這一模式下（常見于出現(xiàn)負(fù)BOLD的區(qū)域），神經(jīng)代謝需求（CMRO2）雖然增加了，但腦血流（CBF）的增加幅度微乎其微，甚至不變。為了滿足能量消耗，腦組織不得不從血液中提取更高比例的氧氣，導(dǎo)致氧攝取分?jǐn)?shù)（OEF）顯著上升。這種“過度壓榨”導(dǎo)致局部脫氧血紅蛋白濃度升高，從而在fMRI上呈現(xiàn)出負(fù)BOLD信號(hào)。

Fig. 3 | Dependence of BOLD signal responses on changes in CBF and CMRO2.

回歸分析顯示，體素的基礎(chǔ)生理狀態(tài)決定了它采用哪種模式：那些基礎(chǔ)OEF較低（即擁有更大氧氣緩沖儲(chǔ)備）的區(qū)域，更傾向于采用“氧攝取主導(dǎo)模式”，從而產(chǎn)生與其代謝活動(dòng)反向的BOLD信號(hào)。

Fig. 4 | Concordant or discordant BOLD signal responses depend on baseline OEF.

關(guān)鍵意義

這項(xiàng)研究對(duì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域具有顛覆性的理論意義。它打破了“BOLD信號(hào)方向=神經(jīng)活動(dòng)方向”的簡單映射關(guān)系，有力地證明了負(fù)BOLD信號(hào)可以反映高強(qiáng)度的神經(jīng)代謝活動(dòng)。這意味著，以往大量被解讀為“腦區(qū)抑制”或“功能關(guān)閉”的研究結(jié)果可能需要重新審視。研究強(qiáng)調(diào)，若要準(zhǔn)確解讀人腦活動(dòng)，不能僅依賴傳統(tǒng)的BOLD信號(hào)，而應(yīng)更多采用定量fMRI手段，關(guān)注區(qū)域特異性的血流動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)制。

Fig. 5 | Two types of hemodynamic responses via changes in CBF or OEF.

Abstract

Functional magnetic resonance imaging measures brain activity indirectly by monitoring changes in blood oxygenation levels, known as the blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) signal, rather than directly measuring neuronal activity. This approach crucially relies on neurovascular coupling, the mechanism that links neuronal activity to changes in cerebral blood flow. However, it remains unclear whether this relationship is consistent for both positive and negative BOLD responses across the human cortex. Here we found that about 40% of voxels with significant BOLD signal changes during various tasks showed reversed oxygen metabolism, particularly in the default mode network. These ‘discordant’ voxels differed in baseline oxygen extraction fraction and regulated oxygen demand via oxygen extraction fraction changes, whereas ‘concordant’ voxels depended mainly on cerebral blood flow changes. Our findings challenge the canonical interpretation of the BOLD signal, indicating that quantitative functional magnetic resonance imaging provides a more reliable assessment of both absolute and relative changes in neuronal activity.

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分享人：飯哥

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部