功能超聲解碼冷感知的腦狀態
關于參與溫度感知的腦區及其相互作用，我們知之甚少。

2024年，法國國家健康與醫學研究院（INSERM）Sophie Pezet教授團隊及Mickael Tanter教授團隊在The Journal of NeuroScience（IF₂₀₂₃=4.4）上發表了題名為“Specific and Nonuniform BrAIn States during Cold Perception in Mice”的研究論文。這篇研究旨在通過功能超聲成像技術（fUS），探索小鼠大腦在感知冷熱刺激時的功能連接模式，特別是研究不同腦區（如軀體運動-扣帶皮層和下丘腦）之間的動態相互作用。
 
研究亮點
首次發現腦區反應二分性
軀體運動-扣帶回皮層網絡與下丘腦在冷感知中表現出特異性分離 —— 冷刺激（尤其是快速降溫）增強軀體運動網絡連接，同時削弱其與下丘腦的連接，這一模式此前因技術限制未被觀察到。

扣帶回的情感角色提示
扣帶回與軀體運動區的連接在快速降溫時增強，結合其已知的情感反應功能，提示其可能參與冷刺激的情感加工（如不適感）。

動態腦狀態與冷刺激關聯
通過聚類識別出 7 種腦狀態，其中 3 種在快速降溫時高頻出現（特征為軀體運動 - 扣帶回與下丘腦的強反相關），1 種在持續冷環境中特異出現（扣帶回與其他區域連接降低），揭示冷感知的動態編碼機制。

研究結果
小鼠在持續溫暖或寒冷環境中的大腦功能連接
通過功能超聲成像（fUS）技術，探究了自由活動小鼠在不同恒溫地板（15°C寒冷、25℃常溫、35°C溫暖）暴露20分鐘后的腦功能連接（FC）情況，然后，比較了寒冷（15℃）和溫暖（35℃）相比常溫（25℃）的腦FC動態變化。

結果顯示，寒冷刺激（15°C）引發最顯著的FC改變，19對FC變化中，12對軀體運動網絡（SMN）內部連接增強，而6對SMN-下丘腦連接減弱，1對扣帶皮層-下丘腦連接增強。溫暖刺激（35°C）僅輕微影響FC，其中SMN內部連接增強，SMN-下丘腦連接也增強。

這些結果表明，極端溫度（冷/暖）均會強化SMN內部協同，但寒冷特異性地削弱SMN與下丘腦的功能耦合，提示下丘腦可能在冷感知中扮演獨特角色。
 

圖1. 實驗設計與時間線。A：小鼠抵達實驗室一周后，通過手術將金屬板固定于頭骨?；謴?周后，進行為期2周的操作訓練與適應。隨后根據頭骨狀況和小鼠狀態，進行至少2周的成像實驗。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：多普勒圖像與小鼠腦圖譜（D；Paxinos和Franklin，2012）的定位疊加。感興趣區域包括：1,8 初級軀體感覺皮層后肢區；2,3,6,7 初級和次級運動皮層；4,5 扣帶皮層；9,10 下丘腦。E：使用Bioseb設備和fUS成像系統（Iconeus）的實驗設置，小鼠暴露于恒溫或快/慢速升降溫環境。F：成像獲取的多普勒信號經過運動偽影閾值去除、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（包括基于種子點的SM靜息態網絡驗證，以及靜態和動態FC分析）。
 

圖2. 恒溫環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重建及研究腦區定位（SSpll1-l/r后肢感覺皮層；MOp1-l/r初級運動皮層；MOs1-l/r次級運動皮層；ACAd1-l/r扣帶皮層；HY l/r下丘腦）。G,H：通過z分數展示ROI間FC的統計學顯著變化。

溫度快速變化期間FC的改變
通過對比溫度快速變化期間與恒溫期間的FC變化，揭示了冷刺激對腦網絡的特異性調控。

研究發現，快速降溫（25℃降至15℃）會顯著改變腦功能連接模式：與常溫（25°C）相比，快速降溫時SMN內部及SMN-扣帶皮層間的18對區域連接性增強，而下丘腦與SMN/扣帶皮層的6對區域則呈現更強的負相關。這種"SMN協同增強-下丘腦耦合減弱"的模式在與恒溫15°C相比較時同樣存在，但快速降溫能引發更廣泛的網絡重組。

特別值得注意的是，快速升溫雖也引起SMN連接增強，但效應較弱且不顯著。研究還發現，無論溫度升降，下丘腦-SM-扣帶皮層網絡在常溫下的微弱負相關都會在溫度驟變時被顯著放大，表明溫度變化速率本身即是調節腦網絡動態的重要因素。
 

圖3. 快速變溫刺激引發的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℃環境的FC變化；K：快速降溫刺激相比于恒溫15℃環境的FC變化；L：快速降溫刺激相比于恒溫25℃環境發生變化的腦區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℃環境的FC變化；O：快速升溫刺激相比于恒溫15℃環境的FC變化；P：快速降溫刺激相比于恒溫25℃環境發生變化的腦區FC圖示。

溫度變化速率的影響
研究結果顯示溫度變化速率顯著影響腦網絡響應：慢速（0.5°C/分鐘）降溫僅引發8對腦區FC改變，效應強度約為快速（1°C/分鐘）降溫的一半，主要表現為SMN連接增強和下丘腦-SMN負相關強化。而慢速升溫卻產生與快速變化類似的顯著效應，導致SMN內12/21對區域連接增強，同時下丘腦-SMN負相關加劇。

這表明溫度變化方向（升/降）與速率共同決定了腦網絡重組模式，提示中樞系統對溫度動態變化的處理存在不對稱性機制。
 

圖4.慢速變溫刺激引發的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℃環境的FC變化。

動態功能連接分析
通過k均值聚類從溫度變化期間（動態）的FC中識別出7種腦狀態，其中5種表現出溫度依賴性，根據特征可分為三組：

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

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

研究總結
本研究首次運用功能超聲成像（fUS）技術，在自由活動小鼠中揭示了溫度感知的腦網絡動態編碼機制。研究發現：1）冷刺激特異性地增強軀體運動-扣帶皮層網絡連接，同時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絡重組模式；3）通過動態功能連接分析識別出7種腦狀態，其中扣帶皮層在持續冷暴露中呈現獨特的"功能隔離"特征。

該研究為溫度感知的神經環路機制提供了全新見解，建立了首個自由活動動物溫度編碼的全腦動態連接圖譜，對理解溫度相關的神經疾病機制具有重要價值。

參考文獻
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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