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使用临床前成像技术探索啮齿动物模型中的大脑功能原理及其与人类精神疾病的相关性
亲爱的编辑，我们最近在《转化精神病学》上发表了一篇文章，探讨了在全脑水平上评估脑功能的策略 [1]。在这篇评论中，我们介绍了几种方法，从功能性磁共振成像到功能性超声再到钙成像。对于每一种技术，我们都简要介绍了它的发展历史、物理概念、一些关键应用、潜力和局限性。我们得出的结论是，在网络水平上对啮齿动物大脑进行成像的方法正在不断发展，并将增进我们对大脑功能的理解。Zhuo 和同事的一篇评论进一步增加了解决精神病学学科从动物模型到患者的“转化”问题的复杂性 [2]。他们提出，需要彻底审查用于开发精神疾病动物模型的方法，甚至可能需要修改。例如，迄今为止，大多数精神疾病的啮齿动物模型都是使用简单的药物输注 [3] 和/或社会心理刺激 [4] 建立的。然而，关键问题是这些操作如何改变大脑的结构和功能，以及这些模型是否真正反映了人类精神疾病的病理生理学。特别是因为很难评估是否可以说从啮齿动物到人类存在逆向推理。这是一个真实且可以接受的说法。然而，这正是临床前成像旨在实现的。通过绘制动物模型中大脑网络的动态响应，并将其（如果可能）与临床研究中报告的响应进行比较，我们可以获得定量数据和参数，以确定我们的模型是否有效转化 [ 5 ]。如果这些指标表明网络级修改在时间和空间上与在人类中观察到的相似，我们可以利用更具侵入性和更具体的方法来进一步研究动物模型中的大脑记录。否则，我们必须有信心和正确性继续前进并尝试其他解决方案。最近有两个例子。 2019 年，我们证实了小鼠蓝斑核 (LC) 去甲肾上腺素能活性与大量大型脑网络（尤其是突显网络和杏仁核网络）的参与之间存在因果关系 [6]。此外，我们还可以将网络变化与去甲肾上腺素 (NE) 周转的直接标志物以及 NE 受体在整个脑部的分布联系起来。特定脑网络动态与 LC 活性和 NE 受体密度相关的假设源自人类压力研究和药理学研究 [7,8]。然而，由于不可能选择性地刺激人类的 LC，因此十多年来，这一假设一直只是一个假设。
经颅直流电刺激调节脑功能的剂量反应：从局部到网络水平
背景：通过经颅技术调节大脑活动的非侵入性脑刺激方法（如经颅直流电刺激 (tDCS)）越来越普遍，用于研究调节的大脑区域与刺激结果之间的关系。然而，tDCS 的个体间差异使得在群体层面检测干预效果变得具有挑战性。收集多种模式的磁共振成像数据（即结构和功能 MRI）有助于研究剂量反应最终如何影响大脑对 tDCS 的反应功能。方法：我们通过一项随机、三盲、假对照试验收集了数据，该试验有两个平行组。60 名患有 MUD 的参与者被随机分配到假或主动 tDCS（每组 n=30，2 mA，20 分钟，阳极/阴极超过 F4/Fp1）。在 tDCS 之前和之后立即收集结构和功能 MRI（包括高分辨率 T1 和 T2 加权 MRI、静息态 fMRI 和甲基苯丙胺线索反应任务（冰毒与中性线索））。T1 和 T2 加权 MRI 数据用于为每个个体生成头部模型以模拟电场。从四个不同层面研究了电场（剂量）与脑功能变化（反应）之间的关联：（1）体素水平、（2）区域水平（基于图谱的分区）、（3）簇水平（感兴趣对比中的活动簇）和（4）网络水平（基于任务和静息态的网络）。结果：在（1）体素水平、（2）区域水平和（3）簇水平，我们的结果显示功能活动变化与电场之间没有显著相关性。然而，（4）在网络层面，默认网络中的电场和 ReHo 之间存在显著的负相关性（r=-0.46（中等效应大小），校正后的 p=0.018）。对于基于任务的 fMRI 数据的网络级分析，额顶叶连接与额叶刺激部位的电场呈现出显著的正相关性（r=0.41（中等效应大小），校正后的 p=0.03）。结论：所提出的流程提供了一个方法框架，可以从四个不同水平的剂量反应关系方面分析 tDCS 效应，从而将电场（剂量）变化与 tDCS 神经反应的变化直接联系起来。结果表明，基于网络的分析可能是一种更好的方法，可以为 tDCS 的神经调节作用对每个个体大脑区域电流剂量的依赖性提供新的见解。剂量反应整合可以为未来脑刺激研究中的剂量优化/定制或预测/治疗反应生物标志物提取提供参考。
神经群体活动的动态约束
神经群体活动的动态约束 Emily R. Oby* 1,2 、Alan D. Degenhart* 2,3 、Erinn M. Grigsby* 1,2,4,5 、Asma Motiwala 2,3 、Nicole T. McClain 1,2 、Patrick J. Marino 1,2 、Byron M. Yu** 2,3,6 、Aaron P. Batista** 1,2 1 匹兹堡大学生物工程系；美国匹兹堡 2 认知神经基础中心；美国匹兹堡 3 卡内基梅隆大学电气与计算机工程系；美国匹兹堡 4 匹兹堡大学物理医学与康复系；美国匹兹堡 5 匹兹堡大学康复与神经工程实验室；美国匹兹堡 6 卡内基梅隆大学生物医学工程系；美国匹兹堡 * 表示共同第一作者 ** 表示共同资深作者和通讯作者 通信地址：aaron.batista@pitt.edu, byronyu@cmu.edu 摘要 神经活动随时间展开的方式被认为是大脑感觉、运动和认知功能的核心。网络模型长期以来一直认为大脑的计算涉及由底层网络塑造的活动时间进程。从这个观点可以预测，活动时间进程应该很难被违反。我们利用脑机接口 (BCI) 挑战猴子违反我们在运动皮层观察到的自然发生的神经群体活动时间进程。这包括挑战动物以时间逆转的方式穿越神经活动的自然时间进程。当直接受到挑战时，动物无法违反神经活动的自然时间进程。这些结果为以下观点提供了实证支持：在大脑中观察到的活动时间过程确实反映了它们所实现的底层网络级计算机制。 简介神经群体活动的时间演变，也称为神经动力学，被认为是许多大脑功能的基础，包括运动控制 1 、感觉知觉 2-4 、决策 5-8 、时间安排 9,10 和记忆 11,12 等 13 。例如，决策可能是由神经活动汇聚到点或线吸引子 6-8 形成的；记忆可以通过神经活动放松到点吸引子 12,14 来恢复；手臂运动可能涉及表现出旋转动力学的神经活动 1 。网络模型 6-8,10,14-17 和大脑 1,2,6-8,10 产生的时间结构化群体活动之间的相似性为大脑如何通过动力学实现计算提供了诱人的证据 18-22 。在网络模型中，活动的时间演变由网络的连通性 23 决定。也就是说，每个节点在某一时间点的活动由网络的活动决定。
经颅直流电刺激调节脑功能的剂量反应：从局部到网络水平
背景：通过经颅技术调节大脑活动的非侵入性脑刺激方法（如经颅直流电刺激 (tDCS)）越来越普遍，用于研究调节的大脑区域与刺激结果之间的关系。然而，tDCS 的个体间差异使得在群体层面检测干预效果变得具有挑战性。收集多种模式的磁共振成像数据（即结构和功能 MRI）有助于研究剂量反应最终如何影响大脑对 tDCS 的反应功能。方法：我们通过一项随机、三盲、假对照试验收集了数据，该试验有两个平行组。60 名患有 MUD 的参与者被随机分配到假或主动 tDCS（每组 n=30，2 mA，20 分钟，阳极/阴极超过 F4/Fp1）。在 tDCS 之前和之后立即收集结构和功能 MRI（包括高分辨率 T1 和 T2 加权 MRI、静息态 fMRI 和甲基苯丙胺线索反应任务（冰毒与中性线索））。T1 和 T2 加权 MRI 数据用于为每个个体生成头部模型以模拟电场。从四个不同层面研究了电场（剂量）与脑功能变化（反应）之间的关联：（1）体素水平、（2）区域水平（基于图谱的分区）、（3）簇水平（感兴趣对比中的活动簇）和（4）网络水平（基于任务和静息态的网络）。结果：在（1）体素水平、（2）区域水平和（3）簇水平，我们的结果显示功能活动变化与电场之间没有显著相关性。然而，（4）在网络层面，默认网络中的电场和 ReHo 之间存在显著的负相关性（r=-0.46（中等效应大小），校正后的 p=0.018）。对于基于任务的 fMRI 数据的网络级分析，额顶叶连接与额叶刺激部位的电场呈现出显著的正相关性（r=0.41（中等效应大小），校正后的 p=0.03）。结论：所提出的流程提供了一个方法框架，可以从四个不同水平的剂量反应关系方面分析 tDCS 效应，从而将电场（剂量）变化与 tDCS 神经反应的变化直接联系起来。结果表明，基于网络的分析可能是一种更好的方法，可以为 tDCS 的神经调节作用对每个个体大脑区域电流剂量的依赖性提供新的见解。剂量反应整合可以为未来脑刺激研究中的剂量优化/定制或预测/治疗反应生物标志物提取提供参考。