主动睡眠 (AS) 为同步皮质和皮质下结构内及之间的神经活动提供了独特的发展环境。在一周大的大鼠中,肌阵挛性抽搐的感觉反馈(AS 的特征性相位运动活动)会促进海马体和红核(中脑运动结构)中相干的 θ 振荡 (4-8 Hz)。抽搐的感觉反馈还会以纺锤波爆发的形式触发感觉运动皮质中的节律活动,纺锤波爆发是由 θ、α/β(8-20 Hz)和 β2(20-30 Hz)频段中的节律成分组成的短暂振荡事件。在这里,我们想知道这些纺锤波爆发成分中的一个或多个是否从感觉运动皮质传递到海马体。通过同时记录 8 日龄大鼠的胡须桶状皮质和背侧海马,我们发现 AS(而非其他行为状态)会促进皮质-海马相干性,尤其是在 beta2 波段。通过切断眶下神经以阻止胡须抽搐的感觉反馈传递,AS 期间的皮质-海马 beta2 相干性显著降低。这些结果证明了感觉输入(尤其是在 AS 期间)对于协调这两个正在发育的前脑结构之间的节律性活动的必要性。
摘要 静息心率可能会增加患心血管疾病 (CVD) 和其他不良心血管事件的风险。虽然脑干对心率的自主控制已得到充分证实,但人们对高级皮质和皮质下大脑区域的调节作用知之甚少,尤其是在人类中。这项研究试图描述预测健康成年人普遍心率变化的大脑网络。我们使用专为复杂、高维数据集设计的机器学习方法,从 fMRI 测量的全脑血流动力学信号中预测瞬时心动周期 (心跳间隔) 的变化。基于任务和静息状态的 fMRI 以及外周生理记录取自两个包含个体内大量重复测量的数据组。我们的模型能够可靠地从个体内和个体间的全脑 fMRI 数据中预测瞬时心动周期,在参与者内部测量时预测准确率最高。我们发现,皮层和皮层下脑区网络(其中许多与内脏运动和内脏感觉过程相关)是心动周期变化的可靠预测因素。这为脑-心相互作用提供了更多证据,并朝着开发临床适用的脑对心血管疾病风险贡献的生物标记物迈出了一步。
a 加州大学伯克利分校公共卫生学院环境研究与社区健康中心 (CERCH),1995 University Avenue, Suite 265, Berkeley, CA 94720, USA b 斯坦福大学医学院精神病学和行为科学系脑科学部跨学科脑科学研究中心,401 Quarry Road, Stanford, CA 94305, USA c 博伊西州立大学公共卫生与人口科学学院,1910 W University Dr, Boise, ID 83725, USA d 哥斯达黎加技术学院劳动安全工程与环境健康学院 (EISLHA),Calle 15, Avenida 14, 洛杉矶大教堂以南 1 公里,Cartago 30101,Cartago 省,哥斯达黎加 e 健康与运动研究与诊断中心,人体运动科学与生活质量学院,本杰明努内斯校区,国立大学,埃雷迪亚 86-3000,哥斯达黎加 f 瑞士热带和公共卫生研究所流行病学和公共卫生系,Socinstrasse 55,4051 巴塞尔,瑞士 g 巴塞尔大学,Peterspl。 1,4001 巴塞尔,瑞士 h 瑞士联邦水生科学与技术研究所 (EAWAG),Ueberlandstrasse 133,8600 Dübendorf,瑞士 i 北加州凯撒医疗集团研究部药物和酒精研究小组,2000 Broadway,奥克兰,CA 94612,美国 j 职业与环境医学部,实验室医学研究所,隆德大学,Scheelev¨agen 2,22363 隆德,瑞典 k 斯坦福大学医学院放射学系,401 Quarry Road,斯坦福,CA 94305,美国
尽管哺乳动物的大脑大小相差五个数量级,但它们具有许多共同的解剖和功能特征,这些特征转化为皮质网络的共性。在这里,我们开发了一个机器学习框架来量化加权区域间皮质矩阵的可预测程度。部分网络连接数据是通过采用一致方法生成的逆向追踪实验获得的,并辅以非人类灵长类动物(猕猴)和啮齿动物(小鼠)的投影长度测量。我们表明,这两个物种的区域间皮质网络都具有显著的可预测性。在二进制级别,对于猕猴,链接是可预测的,ROC 曲线下面积至少为 0.8。加权中和强链接的可预测准确率为 85% – 90%(小鼠)和 70% – 80%(猕猴),而这两个物种的弱链接都不可预测。这些观察结果证实了先前的观察结果,即中尺度皮层网络的形成和演化在很大程度上是基于规则的。使用本文介绍的方法,我们对所有区域对进行了归纳,为两个物种的完整区域间网络生成了样本。这对于在物种内和物种间以最小偏差进行连接组比较研究是必要的。
功能性脑网络的评估较早的评估与发育中的晚期相比:几乎普遍扫描婴儿,而成年人通常被扫描清醒。观察到婴儿和成人功能网络之间的差异可能反映了意识的不同状态,而不是发育变化。我们通过比较在自然睡眠和清醒电影观察中对功能性磁共振成像(fMRI)扫描中功能性磁共振成像(fMRI)扫描中的功能网络来探讨这个问题。作为参考,我们还在清醒休息和看电影中扫描成人。在同一状态(婴儿的睡眠和电影中的睡眠和电影;成人的休息和电影)与整个州相比,全脑功能连通性更为相似。的确,一个经过训练的分类器,以鲁棒解码的婴儿状态,甚至被概括为成年人。有趣的是,接受成人州培训的分类器也没有概括为婴儿。此外,婴儿和成人功能连通性之间的总体相似性是由成人状态(电影更强大)调节的,但不是婴儿状态(对于睡眠和电影而言相同)。尽管如此,推动这种相似性的连接,尤其是在额叶控制网络中,受婴儿状态调节。总的来说,婴儿的功能连通性在睡眠状态和电影状态之间有所不同,突出了清醒fMRI在研究功能网络对开发方面的价值。
据推测,神经元数量的增加是大脑进化过程中认知能力增强的基础。因此,人类认知的进化预计会伴随着净神经处理时间的延长,这是由于单个神经元的处理时间在神经元数量增加的情况下不断积累。在这里,我们证实了这一预测,并通过对未麻醉的人类和非人类灵长类动物的大脑对声音的反应进行非侵入性测量,量化了体内延长的量。从头皮记录的听觉诱发电位 N1 成分的延迟在普通狨猴、恒河猴、黑猩猩和人类中分别约为 40、50、60 和 100 毫秒。重要的是,人类 N1 延迟的显著增加不能用听觉通路的物理延长来解释,因此反映了听觉皮层处理的停留时间延长。更长的听觉皮层处理时间窗口有利于分析随时间变化的声学刺激,例如对语音感知很重要的刺激。于是出现了一个有关人类大脑进化的新假设:皮层神经元数量的增加扩大了感觉皮层处理的时间尺度,其好处超过了认知和反应缓慢的缺点。
人类大脑的网络结构有助于塑造神经活动,影响认知和行为过程。在整个生命周期中都可以获得神经影像数据,这使我们能够监测这种结构如何重组,以及如何受到学习、适应、成熟和衰老等过程的影响。可以使用网络科学工具分析大脑连接的变化模式,这可用于揭示模块化网络拓扑等组织原则。网络模块的识别至关重要,因为它们将大脑解析为连贯的子系统,并允许不同大脑区域之间进行功能整合和分离。在这项工作中,我们通过开发基于集合的多层网络方法来研究大脑的模块化组织,这使我们能够将结构连接模式的变化与发育和衰老联系起来。我们表明模块化结构表现出线性和非线性的年龄相关趋势。在生命早期和晚期,社区更加模块化,我们将这种高模块化的起源追溯到大脑连接的两个不同基础,与集群内边缘的数量和权重有关。我们还表明,衰老会导致模块逐渐重新配置,并在半球之间重新分布。最后,我们确定了对网络重构贡献最大的大脑区域以及在整个生命周期中保持更稳定的大脑区域。
。cc-by-nc-nd 4.0国际许可证(未经同行评审证明)获得的是作者/资助者,他授予Biorxiv授予Biorxiv的许可,以永久显示预印本。这是该版本的版权所有,该版本发布于2023年11月30日。 https://doi.org/10.1101/2023.11.29.569243 doi:Biorxiv Preprint
目标:本研究通过实现两个目标为犯罪行为的神经科学做出贡献:a) 检查一组男性严重少年罪犯(21 名 OG)与对照组(28 名 CG)的皮质特征差异,年龄均在 18 至 21 岁之间;b) 确定不同的皮质特征和风险心理特征在多大程度上区分了这两组人。方法:除了皮质测量外,还评估了人口统计学、执行功能、童年创伤、精神病特征、精神病理学症状以及反社会和违法行为。结果:对皮质套层的全脑分析发现,与 CG 相比,OG 的右侧颞中回簇的皮质厚度增加,外侧眶额皮质的表面积较小。判别函数正确分类了 100% 的 CG 病例和 94.7% 的 OG 病例。右侧颞叶丛、童年创伤、冷漠和人际敏感性症状、精神病性、抑郁、恐惧性焦虑和强迫行为导致了 OG。反过来,外侧眶额叶丛、夸大、冷漠和寻求刺激的精神病特征以及工作记忆导致了 CG。结论:OG 的右侧颞中回增大可能表明社会认知过程中的大脑发育受损,因为它与更高的风险特征相结合出现。眶额皮质减少可能表明情绪控制过程中的大脑发育不成熟,因为它与青少年时期的正常心理特征相结合出现。基于这些新发现,提出了研究和干预的潜在改进领域。
a 加州大学伯克利分校公共卫生学院环境研究与社区健康中心 (CERCH),1995 University Avenue, Suite 265, Berkeley, CA 94720, USA b 斯坦福大学医学院精神病学和行为科学系脑科学部跨学科脑科学研究中心,401 Quarry Road, Stanford, CA 94305, USA c 博伊西州立大学公共卫生与人口科学学院,1910 W University Dr, Boise, ID 83725, USA d 哥斯达黎加技术学院劳动安全工程与环境健康学院 (EISLHA),Calle 15, Avenida 14, 洛杉矶大教堂以南 1 公里,Cartago 30101,Cartago 省,哥斯达黎加 e 健康与运动研究与诊断中心,人体运动科学与生活质量学院,本杰明努内斯校区,国立大学,埃雷迪亚 86-3000,哥斯达黎加 f 瑞士热带和公共卫生研究所流行病学和公共卫生系,Socinstrasse 55,4051 巴塞尔,瑞士 g 巴塞尔大学,Peterspl。 1,4001 巴塞尔,瑞士 h 瑞士联邦水生科学与技术研究所 (EAWAG),Ueberlandstrasse 133,8600 Dübendorf,瑞士 i 北加州凯撒医疗集团研究部药物和酒精研究小组,2000 Broadway,奥克兰,CA 94612,美国 j 职业与环境医学部,实验室医学研究所,隆德大学,Scheelev¨agen 2,22363 隆德,瑞典 k 斯坦福大学医学院放射学系,401 Quarry Road,斯坦福,CA 94305,美国