红外神经刺激结合超高场核磁共振成像对猕猴杏仁核功能环路的研究

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杏仁核作为边缘系统中的重要成员,参与了很多脑功能环路。在非人灵长类的研究中,杏仁核被认为主要参与了认知行为的三个主要功能环路,(1)感觉系统对外界环境的信息读取和编码,(2)内在价值衡量系统对输入信息的评估和整合,(3)运动系统对行为的策划和执行。这三个环路涉及的脑区非常广泛,相互之间又有着复杂的交互,但是对于兼顾整体性和更精细程度的大脑功能网络的研究非常有限。本实验将红外神经刺激技术(Infrared Neural Stimulation, INS)和超高场核磁共振成像技术(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)结合,即获得了功能核磁共振成像时空分辨率高和全脑尺寸成像的优点,又拥有了红外激光刺激抗干扰,精确度高的优点(Xuet al. 2019)。实验中采用是波长1875nm红外激光,通过芯径200μm光纤对杏仁核不同亚核团进行深部脑刺激,同时采用7T超高场功能核磁共振全脑成像,探究了INS-fMRI是否可以用来研究全脑功能网络,功能网络和结构连接的关系,及杏仁核内部不同亚核团参与的功能网络相互之间是什么样的关系?
  实验结果首先证明在刺激光纤端头的信号是能量依赖的,且是非常精确和局限的。其次证明了获得的激活的连接信号是有效的,也是能量依赖的,具体表现为激活区域的变化而不是反应幅度的变化。实验还发现相比于刺激模式和能量强度,杏仁核内部的不同刺激位点得到激活效果差别更大,表现为反应幅值,激活像素点的数量上更大的差别。对于激活的脑区,总体上是和前人的结构研究是吻合的。在感觉系统中,刺激杏仁核中不同位置分别或者同时激活了视觉,躯体感觉,听觉,味觉和嗅觉;在价值衡量系统中,刺激杏仁核激活了额叶,扣带回,岛叶和海马等边缘系统脑区;在运动系统中,刺激杏仁核激活了前运动区,运动区和顶叶等脑区。实验中激活的功能环路相比于发表的结构环路要更加广泛,而且不同刺激位点激活的功能环路相互交错,体现了杏仁核的功能整体性。本实验绘制了杏仁核和认知行为相关的功能连接环路,这些激活的功能连接和报道的结构连接都是吻合的,也进一步证明了相比于现有的技术手段,INS-fMRI具有更高的时效性和可靠性。
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