JNS文獻(xiàn)解讀：溫度驟降，腦波激蕩之功能超聲解碼冷感知的腦狀態(tài)

圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與時(shí)間線。A：小鼠抵達(dá)實(shí)驗(yàn)室一周后，通過手術(shù)將金屬板固定于頭骨�；謴�(fù)1周后，進(jìn)行為期2周的操作訓(xùn)練與適應(yīng)。隨后根據(jù)頭骨狀況和小鼠狀態(tài)，進(jìn)行至少2周的成像實(shí)驗(yàn)。B：金屬板、探頭支架和fUS探頭的示意圖，以及（C、D）成像平面（前囟-0.34 mm）。C：多普勒?qǐng)D像與小鼠腦圖譜（D；Paxinos和Franklin，2012）的定位疊加。感興趣區(qū)域包括：1,8 初級(jí)軀體感覺皮層后肢區(qū)；2,3,6,7 初級(jí)和次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層；4,5 扣帶皮層；9,10 下丘腦。E：使用Bioseb設(shè)備和fUS成像系統(tǒng)（Iconeus）的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，小鼠暴露于恒溫或快/慢速升降溫環(huán)境。F：成像獲取的多普勒信號(hào)經(jīng)過運(yùn)動(dòng)偽影閾值去除、拼接、低通濾波、平滑、歸一化和SVD濾波處理，最終用于功能連接分析（包括基于種子點(diǎn)的SM靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)FC分析）。
 

圖2. 恒溫環(huán)境下小鼠大腦的功能連接情況。A：常溫（25℃）下的功能連接。B：寒冷（15℃）下的功能連接。C：寒冷相比常溫的功能連接變化。D：溫暖（35℃）下的功能連接。E：溫暖相比常溫的功能連接變化。F：成像平面（前囟-0.34 mm）與全腦3D重建及研究腦區(qū)定位（SSpll1-l/r后肢感覺皮層；MOp1-l/r初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層；MOs1-l/r次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層；ACAd1-l/r扣帶皮層；HY l/r下丘腦）。G,H：通過z分?jǐn)?shù)展示ROI間FC的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著變化。

溫度快速變化期間FC的改變
通過對(duì)比溫度快速變化期間與恒溫期間的FC變化，揭示了冷刺激對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)的特異性調(diào)控。

研究發(fā)現(xiàn)，快速降溫（25℃降至15℃）會(huì)顯著改變腦功能連接模式：與常溫（25°C）相比，快速降溫時(shí)SMN內(nèi)部及SMN-扣帶皮層間的18對(duì)區(qū)域連接性增強(qiáng)，而下丘腦與SMN/扣帶皮層的6對(duì)區(qū)域則呈現(xiàn)更強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。這種"SMN協(xié)同增強(qiáng)-下丘腦耦合減弱"的模式在與恒溫15°C相比較時(shí)同樣存在，但快速降溫能引發(fā)更廣泛的網(wǎng)絡(luò)重組。

特別值得注意的是，快速升溫雖也引起SMN連接增強(qiáng)，但效應(yīng)較弱且不顯著。研究還發(fā)現(xiàn)，無論溫度升降，下丘腦-SM-扣帶皮層網(wǎng)絡(luò)在常溫下的微弱負(fù)相關(guān)都會(huì)在溫度驟變時(shí)被顯著放大，表明溫度變化速率本身即是調(diào)節(jié)腦網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的重要因素。
 

圖3. 快速變溫刺激引發(fā)的FC變化。I：快速降溫刺激的FC情況；J：快速降溫刺激相比于恒溫25℃環(huán)境的FC變化；K：快速降溫刺激相比于恒溫15℃環(huán)境的FC變化；L：快速降溫刺激相比于恒溫25℃環(huán)境發(fā)生變化的腦區(qū)FC圖示；M：快速升溫刺激的FC情況；N：快速升溫刺激相比于恒溫25℃環(huán)境的FC變化；O：快速升溫刺激相比于恒溫15℃環(huán)境的FC變化；P：快速降溫刺激相比于恒溫25℃環(huán)境發(fā)生變化的腦區(qū)FC圖示。

溫度變化速率的影響
研究結(jié)果顯示溫度變化速率顯著影響腦網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)：慢速（0.5°C/分鐘）降溫僅引發(fā)8對(duì)腦區(qū)FC改變，效應(yīng)強(qiáng)度約為快速（1°C/分鐘）降溫的一半，主要表現(xiàn)為SMN連接增強(qiáng)和下丘腦-SMN負(fù)相關(guān)強(qiáng)化。而慢速升溫卻產(chǎn)生與快速變化類似的顯著效應(yīng)，導(dǎo)致SMN內(nèi)12/21對(duì)區(qū)域連接增強(qiáng)，同時(shí)下丘腦-SMN負(fù)相關(guān)加劇。

這表明溫度變化方向（升/降）與速率共同決定了腦網(wǎng)絡(luò)重組模式，提示中樞系統(tǒng)對(duì)溫度動(dòng)態(tài)變化的處理存在不對(duì)稱性機(jī)制。
 

圖4.慢速變溫刺激引發(fā)的FC變化。Q：慢速降溫刺激的FC情況；R：慢速降溫刺激相比于恒溫25℃環(huán)境的FC變化；S：慢速升溫刺激的FC情況；T：慢速升溫刺激相比于恒溫25℃環(huán)境的FC變化。

動(dòng)態(tài)功能連接分析
通過k均值聚類從溫度變化期間（動(dòng)態(tài)）的FC中識(shí)別出7種腦狀態(tài)，其中5種表現(xiàn)出溫度依賴性，根據(jù)特征可分為三組：

第一組僅含狀態(tài)#1（占時(shí)54-60%），其連接強(qiáng)度弱，且在恒溫25°C時(shí)出現(xiàn)頻率顯著高于其他條件。第二組包含狀態(tài)#3、#5和#7（占時(shí)10-17%），其特征是SM-扣帶皮層（SM-Cg）連接增強(qiáng)，同時(shí)SM-下丘腦呈負(fù)相關(guān)。這三種狀態(tài)在快速降溫時(shí)出現(xiàn)頻率顯著高于恒溫條件。第三組僅狀態(tài)#4（占時(shí)10-13%），除SM-下丘腦二分性外，其獨(dú)特表現(xiàn)為扣帶皮層與其他腦區(qū)連接減弱。特別的是，該狀態(tài)僅在恒溫15°C（持續(xù)20分鐘冷暴露）時(shí)頻率顯著升高，提示扣帶皮層在持續(xù)冷刺激中的特異性參與。所有腦狀態(tài)在升溫過程中均無頻率改變，再次證實(shí)大腦對(duì)冷/暖刺激存在不對(duì)稱處理機(jī)制。
 

圖4. 基于k均值聚類的溫度編碼動(dòng)態(tài)FC分析。按出現(xiàn)頻率排序的7種腦狀態(tài)共波動(dòng)矩陣（A-F）。通過線性混合模型比較各狀態(tài)的頻率差異（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。弱連接狀態(tài)#1（占54%）在25°C時(shí)更頻繁（A）；狀態(tài)#3/5/7呈現(xiàn)SM/扣帶皮層-下丘腦二分性，在冷快降時(shí)高發(fā)（C,E,G）；狀態(tài)#4在持續(xù)冷暴露時(shí)特異性增多，表現(xiàn)為扣帶皮層低連接（D）。升溫過程未引起狀態(tài)頻率改變。

研究總結(jié)
本研究首次運(yùn)用功能超聲成像（fUS）技術(shù)，在自由活動(dòng)小鼠中揭示了溫度感知的腦網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)編碼機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：1）冷刺激特異性地增強(qiáng)軀體運(yùn)動(dòng)-扣帶皮層網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)削弱其與下丘腦的功能耦合；2）溫度變化速率顯著影響腦網(wǎng)絡(luò)重組模式；3）通過動(dòng)態(tài)功能連接分析識(shí)別出7種腦狀態(tài)，其中扣帶皮層在持續(xù)冷暴露中呈現(xiàn)獨(dú)特的"功能隔離"特征。

該研究為溫度感知的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制提供了全新見解，建立了首個(gè)自由活動(dòng)動(dòng)物溫度編碼的全腦動(dòng)態(tài)連接圖譜，對(duì)理解溫度相關(guān)的神經(jīng)疾病機(jī)制具有重要價(jià)值。

參考文獻(xiàn)
Koorliyil H, Sitt J, Rivals I, et al. Specific and Nonuniform Brain States during Cold Perception in Mice. J Neurosci. 2024 Mar 20;44(12):e0909232023. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0909-23.2023. 

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