神经活动与BOLD信号之间的关系

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1、fMRI信号到底代表什么？在过去的二十几年，fMRI引发了认知神经科学革命，被广泛应用于研究人脑的运转机制。fMRI不仅可以定位脑激活，还能用来研究脑活动的动态变化。fMRI技术通过神经活动相关的血液动力学间接测量神经活动，但fMRI信号和脑内神经活动的准确关系还是未知的，并且这一关系在不同脑、不同任务、不同人、不同物种间是如何变化的还是未知的。一、fMRI原理fMRI信号可以看作是几秒之后，在几毫米的空间区域对神经活动信号的测量。因此，fMRI并不是神经活动成像，fMRI信号是与神经活动相关的生理变化

2、。神经活动会增加代谢需求，血管系统以氧和葡萄糖的形式满足需求，氧与血红蛋白结合。fMRI技术通过神经活动相关的血液动力学间接测量神经活动。具体来说:血红蛋白分子与氧结合时的磁特性与不和氧结合时的磁特性不同，含氧血红蛋白(OxyHb)血红素上由于没有不成对的电子，磁矩为零，表现为抗磁性。与此相反，脱氧血红蛋白(DeoxyHb)血红素上有4个未配对电子，占据高的自旋态，有较强的磁矩，表现为顺磁性。顺磁性的脱氧血红蛋白在磁场中会引起自旋散相，导致横向弛豫时间T2*衰减，所以对T2*敏感的磁共振信号会在含氧的血

3、液中显示高信号,而在脱氧的血液中显示低信号。在神经激活时，脑血流增长的速率远大于脑氧代谢率(50%vs5%)，导致神经激活处供应的氧含量远大于消耗的氧含量，即脑氧含量过剩，使脱氧血红蛋白比例降低，BOLD信号增加。图1.血氧水平依赖成像原理由于血流增加比神经活动延迟，即在神经活动的变化到引起相应的血流的变化之间，大约有5至8s的延迟，所以fMRI的时间分辨率明显受到血液动力学因素的影响。fMRI技术通过神经活动相关的血液动力学间接测量神经活动。因此，BOLD信号的改变，可能是神经活动的改变或者血液动力学

4、响应的血管特性的调节，也可能是两种效应的综合结果。图2.血液动力学响应和fMRI信号BOLD信号有几个组成部分：（1）对于一个刺激或后台调节的神经响应；（2）神经活动和触发血液动力学响应的复杂关系；（3）血液动力学响应本身；（4）血液动力学响应被MRI扫描机探测到的方式（ArthursOJ,BonifaceS.2002）。二、动作电位和突触活动在一个典型的实验中，当刺激或认知任务系统变化时，可采集BOLDfMRI图像的时间序列。如果刺激或任务变化诱发特定脑区血流和血氧足够大的变化，则这个区域的信号强度会

5、随着时间调整，信号改变可高达±5%，但通常会小于这个值。在人脑中神经元是信息处理单元，神经元的细胞体和树突集中在灰质中形成大脑皮质，细胞体和树突上一般有几千个来自其他神经元的突触，它们分为抑制性和兴奋性两种，大部分兴奋性突触在树突表面，抑制性突触常常贴近细胞体。当电信号到达突触时，特殊的递质分子从突触小泡中被释放进入50nm宽的突触间隙中，这些分子很快地扩散过间隙，其中一些依附到突触后膜表面的感受器分子上，并使感受器分子改变了它们的形状，开放了通过膜的离子通道，随后的电荷流动，主要是Na+，K+，Cl-

6、离子电流，使膜电位改变为突触后电位。当神经元膜电位去极化达到阈值时定义为动作电位。理论证据表明，皮层细胞动作电位发放活动对新陈代谢需求很少，最多只占大脑静息态能量消耗的3%（Creutzfeldt,O.D.1975）。因此，即使神经元放电速率加倍，局部新陈代谢也不会有大的改变。形成对比的是，皮层氧和葡萄糖的消耗主要是突触活动后，需要ATP激活钠钾泵。所以，突触活动是主要消耗能量的过程，即主要是突触后活动引发了血流增加。三、BOLD信号与神经神经活动的关系Logothetis和他的团队利用微电极记录神经元

7、电位，比较了局部场电位（LFPs,localfieldpotentials），单一单元活动（SUA,singleunitactivity）和多单元活动（MUA，multipleunitactivity）。发现只有LFPs与血液动力学响应有显著的相关性。将一个微电极放置靠近体细胞或神经元的轴突，测到的细胞外场电位（extracellularfieldpotential，EFP）反映了单一单元活动。将细胞外场电位通过高通滤波器可得到多单元活动，通过低通滤波去除动作电位成分可得到局部场电位。MUA反映了细胞外

8、峰电位的改变。相反LFPs代表了大多数发生在神经元细胞间的合作活动的低频事件（LogothetisNK.2002，LogothetisNK.2003，LogothetisNK.2004）。在猴子上的实验证明，LFP是唯一与血液动力学响应有显著相关的信号（N.K.Logothetis.2001）。因此，血液动力学响应时间序列大致是神经元总活动的低通滤波后的表现。图2.皮层神经活动和血液动力学同步记录显示了瞬态神经响应.a-c对应24，12和4