脑神经科学研究设备

神经科学领域一项突破性进展:研究人员利用超高场强7特斯拉功能性磁共振成像(fMRI)技术,绘制了前所未有的人类异质-内感受系统皮层及皮层下图谱。这项创新研究捕捉了负责身体内部调节和外部环境适应的大脑区域之间错综复杂的动态相互作用,揭示了控制人类如何在不断变化的环境中维持体内平衡的复杂网络。通过实现亚毫米级的精细成像,该团队阐明了支撑大脑感知和调节身体内部状态的神经结构,这是此前神经影像技术无法企及的成就。 人体的异质-内感受系统是维持生理平衡的核心,它整合来自内脏器官和外部环境的信号,引导大脑介导的行为、代谢和心血管功能调整。“异质”一词指的是大脑通过生理或行为变化实现稳定的过程,是经典“体内平衡”概念的延伸。而“内感受”是指大脑接收和解读来自体内生理反馈的感觉过程,包括心跳、呼吸和肠道活动等内脏感觉。了解这一整合系统对于阐明大脑如何维持健康、适应压力以及其功能障碍如何导致各种神经精神疾病和全身疾病至关重要。 利用7特斯拉MRI扫描仪无与伦比的空间分辨率和灵敏度,研究团队能够精确地绘制与异质性和内感受性处理相关的皮层和皮层下区域。7特斯拉的场强能够探测到来自容纳特殊神经元的微小脑结构中细微的血氧水平依赖性(BOLD)信号,这些信号此前由于技术限制和信号噪声而难以成像。通过结合基于任务和静息态的fMRI范式,研究人员系统地绘制了与内感受意识和自主神经控制相关的内在连接和激活模式。 具有里程碑意义的观察结果之一是,在岛叶皮质、前扣带皮质和腹内侧前额叶皮质中,分别划出了不同的皮质中枢,它们在处理内感受信号和协调适应性生理反应方面发挥着独特而又相互关联的作用。后岛叶最初是内脏传入信息的主要皮质入口,接收来自脊髓第一层和迷走神经通路的输入,从而充当内脏感觉皮质。相反,前岛叶区域将这些生理输入与情绪和认知情境信息进行综合,从而支撑内感受意识和主观感觉状态。 这项研究揭示了皮层下深层脑结构(例如下丘脑、中脑导水管周围灰质 (PAG) 和脑干核团)在调节自主神经和内分泌功能方面所起的微妙作用,而这些功能是稳态维持所必需的。下丘脑是稳态调节的关键,它整合内脏感觉传入,并协调神经内分泌输出,从而调节应激反应、新陈代谢和昼夜节律。值得注意的是,中脑导水管周围灰质参与调节与稳态威胁相关的疼痛和防御行为,而独立的脑干中枢则微调交感神经和副交感神经的流出,从而解释了心率和呼吸的瞬时调整。 这项全面的脑图谱绘制还发现,杏仁核和丘脑的神经回路是整合内脏感觉数据与情绪显著性和认知评估的关键中继站。杏仁核参与内感受处理,凸显了其在编码构成情感状态和决策基础的身体信号方面所发挥的作用。同时,研究发现丘脑核促进了脑干输入与高级皮质区域之间的沟通,建立了一条对有意识地感知内部状态至关重要的双向通路。 这项研究最具革命性的元素之一是融合皮层和皮层下脑图,以阐明这些分布式区域如何形成一个整合网络,并发挥同态-内感受轴的作用。通过先进的连接分析,研究人员展示了双向耦合和层次化处理级联,这些级联可以根据环境需求微调生理设定点。该动态网络支持预测编码模型,在该模型中,大脑不断生成和更新关于身体状态的假设,从而通过调整自主神经输出来最大限度地减少预测误差。 这项研究的洞见超越了基础神经科学,对理解焦虑、抑郁和物质使用障碍等精神疾病具有变革性的意义,这些疾病的显著特征是内感受和异质负荷失调。例如,内感受敏感性增强或岛叶整合受损可能导致异常焦虑反应或情绪失调。通过精确定位这些异质中枢的精确位置和功能连接特征,可以改进经颅磁刺激或深部脑刺激等靶向神经调节疗法,从而恢复健康的脑-身沟通。 此外,这种前沿方法为人类高分辨率功能映射树立了新标准,为追踪这些异质-内感受网络在整个生命周期或治疗反应中的演变方式开辟了纵向研究的途径。它还促使人们重新评估传统的以脑为中心的神经行为障碍治疗方法,强调躯体标记和基于身体的预测系统作为核心病因的重要性。 从技术角度来看,这项工作的成功取决于克服7特斯拉fMRI固有的诸多挑战,包括磁场不均匀性引起的磁敏感伪影、心跳和呼吸周期产生的生理噪声以及运动伪影。研究团队采用了先进的预处理流程,包括失真校正、运动校正和生理噪声建模,以保持信号保真度。此外,他们设计了新颖的内感受激发实验范式,在受试者待在扫描仪中时,同时进行心血管、呼吸和内脏感觉输入,从而能够同时成像全脑对真实内部刺激的反应。 这本精细细致的异体-内感受系统图谱现已公开,神经科学界由此获得了整合大脑生理学与外周器官系统的基础资源。这一整合框架将促进神经科学、内分泌学、免疫学和心理学之间的跨学科合作,促进对大脑和身体如何在持续变化中保持平衡的整体理解。这项工作展现了神经影像技术的进步与严谨的概念相结合,如何揭示控制人类健康的复杂自适应机制。 展望未来,将这种映射扩展到临床人群至关重要。描绘高血压、肠易激综合征、慢性疼痛和创伤后应激障碍等疾病中异质-内感受回路的偏差,可以揭示预测疾病进展或治疗反应的生物标志物。此外,将超高分辨率成像与分子神经影像学或同步多器官生理监测等新兴技术相结合,可以深化身心整合的多模态表征。 总而言之,这项里程碑式的研究代表了范式的转变,以惊人的精细度绘制了人类大脑异质性和内感受性机制的全面神经功能图谱。它阐明了大脑监测和调节内部环境,并在不断变化的内外环境中维持适应性稳态的神经基础。它超越了以往的技术限制和概念界限,为揭示健康和疾病中具身认知和躯体调节的奥秘设定了一个充满活力的议程。这一成就凸显了高场神经影像学和整合神经科学在阐明大脑作为生物体主要调节器的作用方面所发挥的强大作用。 研究主题: 使用超高场 7 特斯拉 fMRI 绘制人类大脑中的异质-内感受系统,以了解内部身体调节和适应性生理过程的神经基础。 文章标题: 使用 7 特斯拉 fMRI 对人类异质内感受系统进行皮层和皮层下映射 文章参考: Zhang, J., Chen, D., Deming, P. 等。利用 7 特斯拉 fMRI 对人体异质-内感受系统进行皮层和皮层下映射。《自然神经科学》(2025 年)。 图片来源: 人工智能生成 标签: 异质稳态和生理稳定性;体内平衡中的大脑区域;皮质和皮质下映射;大脑和身体之间的动态相互作用;人体异质稳态-内感受系统;内外环境适应;内感受和内脏感觉;身体调节的神经结构;神经科学中的神经影像学进展;人体生物学中的生理平衡;超高场 7 特斯拉 fMRI;了解大脑健康和压力反应

— 美联社(@AP) 现场活动 作为可靠和值得信赖的新闻来源添加作为可靠和值得信赖的新闻来源立即添加! (您现在可以订阅我们的 (您现在可以订阅我们的《经济时报》WhatsApp频道来自东萨塞克斯郡克劳伯勒的 65 岁退休言语和语言治疗师丹尼斯·培根在接受深部脑刺激 (DBS) 手术期间,在植入并激活电极的同时吹奏单簧管,展现了她手术中的非凡瞬间。这项创新手术在国王学院医院进行,手术后,她的运动控制能力,尤其是手指运动,立即得到改善,凸显了 DBS 在治疗帕金森病症状方面的有效性。丹尼斯于 2014 年被诊断出患有帕金森病,她出现运动迟缓和僵硬症状,影响了她行走、游泳、跳舞和吹单簧管的能力,而她非常珍惜这项活动。这项手术持续了四个小时,由神经外科教授 Keyoumars Ashkan MBE 进行,由神经科医生、神经心理学家和专业护理人员等多学科团队提供支持。手术过程中,在固定一个坐标精确的框架后,医生在她的头骨上精心钻孔,作为导航系统,将电极准确地放置在目标深层脑结构中。这些电极连接到植入胸部的脉冲发生器,类似于起搏器,它发出电脉冲来改变大脑活动,缓解运动症状。随着刺激电流的开启,丹妮丝的手部运动立即得到改善。 她能够更轻松地演奏单簧管,这直接证明了手术在手术台上取得了成功。阿什坎教授指出,“我们立即注意到她右侧手部运动的改善。当我们在她的大脑右侧植入电极后,她的左侧也出现了同样的情况。”据伦敦国王学院医院的一份报告称。丹尼斯在局部麻醉下保持清醒,以便实时监测症状。她回忆道:“我记得一旦接受刺激,我的右手就能更轻松地移动,这反过来又提高了我演奏单簧管的能力,我对此感到很高兴。”除了手指灵活性提高之外,她的行走能力也有所提高,并希望在不久的将来恢复游泳和跳舞。植入的可充电脉冲发生器电池的设计使用寿命长达 20 年,并包含智能技术,可根据持续的大脑活动读数自动监测和调整大脑刺激,这代表着朝着个性化帕金森治疗迈出了重要的一步。丹尼斯的案例凸显了深部脑刺激 (DBS) 的潜力,不仅不仅能减轻衰弱症状,还能恢复患者的生活质量和喜爱的活动。