發(fā)布時(shí)間：2025-12-15
近日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）梁智鋒團(tuán)隊(duì)Nature Communications上發(fā)表了覺(jué)醒波動(dòng)（arousal fluctuations）調(diào)控大腦功能網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)整合的重要成果。該研究整合了人類(lèi)與小鼠功能磁共振成像（fMRI）與多模態(tài)光電神經(jīng)記錄及操控技術(shù)，揭示了藍(lán)斑核-去甲腎上腺素（LC-NE）系統(tǒng)介導(dǎo)的覺(jué)醒波動(dòng)驅(qū)動(dòng)了全腦功能連接呈現(xiàn)“倒U型”非線性動(dòng)力學(xué)變化，為心理學(xué)中的耶克斯-多德森定律（Yerkes-Dodson Law）提供了功能網(wǎng)絡(luò)層面的機(jī)制性解釋。
你有沒(méi)有過(guò)這樣的經(jīng)歷？深夜神思倦怠時(shí)，大腦如同陷入混沌，思緒難以凝聚；午后精力充沛時(shí)，思維卻異常清晰，效率倍增；但當(dāng)你緊張過(guò)度、心跳加速時(shí)，反而會(huì)大腦一片空白，表現(xiàn)大打折扣。
這一廣為人知的心理學(xué)現(xiàn)象，便是耶克斯-多德森定律（Yerkes–Dodson Law）。該定律指出，行為表現(xiàn)與覺(jué)醒水平之間呈現(xiàn)倒U型關(guān)系——適度興奮時(shí)，表現(xiàn)最為出色。然而，這一典型行為模式所涉及的全腦功能網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)及其內(nèi)在的因果驅(qū)動(dòng)機(jī)制，至今尚未得到明確的闡述。
本研究首次在跨物種（人類(lèi)與小鼠）、跨狀態(tài)（靜息態(tài)與任務(wù)態(tài)）的框架下，系統(tǒng)性地證實(shí)了以下核心結(jié)論：
研究團(tuán)隊(duì)首先基于人類(lèi)公開(kāi)數(shù)據(jù)集，分析了參與者在執(zhí)行視覺(jué)檢測(cè)任務(wù)時(shí)的功能磁共振成像（fMRI）數(shù)據(jù)，并同步記錄其瞳孔直徑作為覺(jué)醒水平指標(biāo)。結(jié)果顯示，在任務(wù)狀態(tài)下，隨著覺(jué)醒水平的升高，行為表現(xiàn)水平和全腦功能連接的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的“倒U型”變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在中等覺(jué)醒水平。同時(shí)，人中的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)表明，受覺(jué)醒水平調(diào)節(jié)的“倒U型”功能連接動(dòng)態(tài)性這一現(xiàn)象在靜息狀態(tài)下也同樣存在。
為深入揭示這一現(xiàn)象背后的神經(jīng)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)在清醒小鼠fMRI實(shí)驗(yàn)中同步記錄了藍(lán)斑核去甲腎上腺素神經(jīng)元（LC-NE）的鈣信號(hào)、皮層胞外去甲腎上腺素濃度以及顱內(nèi)腦電（iEEG）信號(hào)。結(jié)果表明，LC-NE神經(jīng)元的自發(fā)活動(dòng)與全腦功能連接強(qiáng)度之間存在著顯著的非線性關(guān)聯(lián)。具體表現(xiàn)為：隨著LC-NE神經(jīng)元活動(dòng)增強(qiáng)及其下游去甲腎上腺素水平的上升，全腦功能連接強(qiáng)度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的“倒U型”變化趨勢(shì)。
為確立藍(lán)斑核-去甲腎上腺素系統(tǒng)在該現(xiàn)象中的因果作用，研究團(tuán)隊(duì)采用了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?/span>雙向光遺傳學(xué)干預(yù)策略。通過(guò)在LC-NE神經(jīng)元中分別精確表達(dá)興奮型視蛋白（SSFO）或抑制型視蛋白（stGtACR2），實(shí)現(xiàn)了對(duì)LC-NE神經(jīng)元活動(dòng)的增強(qiáng)或抑制的雙向調(diào)控。使用該范式，研究結(jié)果表明，在清醒小鼠中LC-NE神經(jīng)活動(dòng)的增強(qiáng)或抑制帶來(lái)了相應(yīng)的覺(jué)醒水平的上升或下降，并均導(dǎo)致全腦功能連接強(qiáng)度減弱。以上結(jié)果說(shuō)明了LC-NE系統(tǒng)在倒U型關(guān)系中的因果性貢獻(xiàn)。
尤為關(guān)鍵的是，為探索其非線性特性的根源，研究人員采用了化學(xué)遺傳學(xué)方法進(jìn)一步驗(yàn)證。在清醒小鼠中，化學(xué)遺傳學(xué)激活LC-NE神經(jīng)元，可促使覺(jué)醒水平從中等升至高水平，并引發(fā)全腦功能連接的降低。在低濃度異氟烷淺麻醉小鼠中，化學(xué)遺傳學(xué)激活LC-NE神經(jīng)元，則促使覺(jué)醒水平從低升至中等水平，并伴隨全腦功能連接的增強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)清晰地表明，LC-NE系統(tǒng)對(duì)全腦功能連接變化的方向性并非固定不變，而是高度依賴(lài)于行為狀態(tài)所處的初始覺(jué)醒水平。
這些發(fā)現(xiàn)共同構(gòu)成了一個(gè)完整的因果鏈條：LC-NE神經(jīng)元活動(dòng)增加 → 皮層NE濃度升高 → 覺(jué)醒水平提升 → 全腦功能連接發(fā)生改變（其方向由基線覺(jué)醒水平在倒U型曲線上的初始相對(duì)位置決定）。綜上所述，本研究不僅觀察到了LC-NE系統(tǒng)活動(dòng)與功能連接之間的相關(guān)性，更重要的是，通過(guò)雙向、精準(zhǔn)的神經(jīng)調(diào)控，并結(jié)合多模態(tài)EEG-fMRI，在活體大腦中驗(yàn)證了“藍(lán)斑核-去甲腎上腺素系統(tǒng)”的活動(dòng)是塑造全腦功能連接與覺(jué)醒水平倒U型動(dòng)力學(xué)的因果驅(qū)動(dòng)因素。
中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心梁智鋒研究員和童傳俊博士為該論文的共同通訊作者，腦智卓越中心童傳俊博士和研究生李葳帥、北京昌平國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鄒藝娟博士為該論文的共同第一作者。腦智卓越中心助理實(shí)驗(yàn)師夏盈、高級(jí)工程師裴孟超博士、工程師張凱威、工程師駱義超在研究中做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了中科院中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心腦影像中心、中國(guó)科學(xué)院中科院腦科學(xué)數(shù)據(jù)中心和實(shí)驗(yàn)鼠房的大力支持。該研究得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、上海市、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)的資助。
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