圖9.負向與正向氧響應成分的空間特性。 A、LGN記錄位點群體(n=34)的擬合優度(R)值。每個記錄位點的平均氧響應(每種刺激條件對應1個)采用圖7所示模型進行擬合。使用四個自由參數(σn、σp、gn和gp)同時擬合所有氧響應。虛線代表擬合優度閾值,僅當R值高于此閾值時,擬合所得參數才會在下文展示。B、C、根據公式 15(見結果部分)通過 σn 和 σp 計算得出的負向(B)與正向(C)點擴散函數(PSF)的估計半高全寬(FWHM)值。每個直方圖展示L GN記錄位點群體參數值的分布情況。 B圖中排除了組織氧含量無顯著負向變化(p<0.001, t檢驗)的記錄位點數據。負向與正向PSF的平均值(箭頭標示)分別為0.14±0.07毫米和1.35±0.6毫米。群體平均值計算時已排除右側極端異常值。

盡管上述分析表明兩個估計的寬度參數存在明顯差異，但具有單個寬度參數的模型可能同樣很好地擬合我們的數據。為了檢驗這種可能性，我們在以下約束下重新擬合了LGN數據：σn = σp。這將自由參數的數量減少到三個，并強制神經響應在相同的組織體積上求和。使用此模型的擬合不如從無約束模型獲得的擬合好，尤其是在引起強勁負向響應的記錄位點。為了將這些擬合與無約束模型的擬合進行比較，我們使用F檢驗來考慮略微不同的自由度。在寬度約束模型下，34個記錄位點中的18個擬合質量顯著降低。當比較整個群體的擬合時，擬合質量的降低也是顯著的。兩種模型產生可比擬合的記錄位點通常具有較小的負向氧響應，使得負向響應分量對擬合幾乎沒有影響。從該分析中，我們得出結論，盡管負向響應分量幅度較小，但獨立的PSF寬度對于解釋我們的氧測量結果是必要的。

討論

許多先前的研究報告了大腦感覺刺激后組織氧的增加和減少。在本研究中，我們將這些變化與神經活動的空間模式聯系起來。我們表明，局部神經激活引起組織氧的單相負向變化，而較大的活性組織體積引起正向或雙相響應。正向和負向氧響應都被證明定位于神經活動的部位，但正向響應表現出明顯更寬的PSF。

組織氧負向和正向變化的解釋

我們將氧響應的負向分量解釋為源自局部活動依賴性的CMRO?增加?，F在普遍認為，在神經響應期間CMRO?至少適度增加。單獨來看，CMRO?的增加會導致組織氧的負向變化，但CBF或灌注毛細血管數量的任何增加都會抵消這種減少。我們推測，在氧響應的負向部分期間，這些血管變化相對較小。

據我們所知，對負向氧響應的唯一替代解釋是活動依賴性的CBF減少。盡管最近有體外測量中活動依賴性血管收縮的報告，并且CBF減少被認為是用fMRI測量的持續負向BOLD響應的基礎，但這些變化不太可能與神經活動的增加相關。實際上，有證據表明持續的負向BOLD響應與神經活動的減少相關。此外，對活動依賴性CBF變化的體內研究報告稱，CBF在神經活動增加期間增加，甚至在組織氧負向變化期間也是如此。鑒于本研究中觀察到的負向氧響應特定于局部神經放電率的增加，它們不太可能源自CBF的減少。通過類似的推理，我們將氧響應的正向分量解釋為源自活動依賴性的CBF增加。另一種解釋是CMRO?在神經活動增加期間減少。然而，這樣的變化將與顯示相反結果的研究相悖。

血流動力學點擴散函數

我們定義了一個合理的模型，通過該模型，組織氧的變化可能與神經活動在空間上耦合。該模型的一個核心假設是組織氧的變化由兩個響應分量組成。我們的數據表明，正向響應PSF明顯寬于負向響應。這一結果解釋了在神經活動的局部變化期間觀察到的負向氧響應，以及空間擴展性激活引起的正向氧響應。一個PSF寬度相同的類似模型無法解釋這些觀察結果。

我們的結果與先前的光學成像和fMRI研究一致，這些研究得出結論，血流動力學響應最具空間特異性的成分與CMRO?的早期增加有關。這些先前研究的結論基于一個被稱為“初始下降”的早期響應成分的優越空間特異性，該成分被認為反映了CMRO?的變化。其他研究挑戰了對初始下降的解釋，指出它也可能源自靜脈隔室內的快速CBV增加。此外，有人提出初始下降的特異性可能是由于測量時間較早，而不是其起源機制的結果。我們當前的研究解決了這兩個問題。由于純粹的CBV變化不會改變血液的氧飽和度或組織中的氧分壓，因此我們的傳感器觀察到的組織氧的負向變化不能歸因于CBV的增加。此外，我們的正向和負向響應幅度測量是從相同的時間點獲得的。因此，我們在正向和負向響應分量之間觀察到的特異性差異不能歸因于測量時間的差異。我們還發現我們的結果擴展到LGN，因此不是視覺皮層或依賴于柱狀組織的激活范式的特殊屬性。然而，我們不能排除用光學成像和fMRI技術觀察到的初始下降至少部分地源于不同機制的可能性。

大腦血流動力學模型

本研究中描述的模型對觀察到的組織氧變化背后的生理機制做了很少的假設。我們主要關注氧響應的時空特性，而不是CBF、CBV和CMRO?之間的潛在相互作用。已經提出了幾個生物物理模型來解釋這些生理機制，但只有少數預測了活動依賴性的組織氧變化，并且沒有一個考慮神經活動的空間模式。盡管更復雜，但包含組織氧動力學的模型能夠解釋比那些不包括的模型更多的實驗數據。這些模型還提供了一種生物學上合理的機制，通過該機制，在神經活動期間，血流量和氧消耗的變化可能解耦。通過這種機制，細胞內氧的儲備在氧消耗和輸送之間充當緩沖。沒有這種儲備，血流量和氧化代謝的變化必須緊密耦合。我們當前的結果支持組織中存在氧儲備，在血流量不增加的情況下可以動用。然而，在活性神經元體積超過幾百微米的情況下，CBF的增加超過CMRO?，組織氧水平傾向于上升而不是下降。

對功能性腦成像的意義

我們的結果表明，基于初始下降的神經成像技術的最終空間分辨率可能在幾百微米的量級，而基于CBF的技術可能限制在幾毫米。盡管通過差分成像技術或選擇性激發，可能在更精細的空間尺度上準確定位活動焦點，但本文報告的PSF寬度限制了在單個刺激條件下分辨潛在神經活動模式的能力。重要的是要注意，我們的PSF估計沒有考慮許多可能顯著降低空間分辨率的因素。這些因素包括成像硬件的限制、低信噪比、受試者運動以及血流動力學響應的變異性。關于初始下降，已知其特異性在響應的最初幾秒內會降低，因為血液從附近的毛細血管排入相對較遠的小靜脈和靜脈。因此，基于初始下降的神經成像研究需要同時具有高空間和時間分辨率才能實現空間特異性的優勢。雖然用光學成像技術相對容易實現這種分辨率，但對于fMRI來說目前非常困難。

為了規避其中一些問題，基于CBF或CBV變化的技術可能是高分辨率神經成像的更實用替代方案。相對于血氧信號，CBF和CBV的直接測量更容易解釋。CBV的變化也報告為大于血氧的變化，并且不會從其起源點漂移。一個缺點是，如果不采取措施減少其影響，中小型血管內的變化可能導致實質性的血管偽影。已經開發了數據采集和后處理方法來強調CBF和CBV響應的毛細血管床成分，該成分似乎很好地定位于潛在的神經響應。本研究中估計的正向響應PSF的寬度與CBF和CBV響應定位良好的發現一致，因為許多寬度低于1毫米。然而，我們的數據表明，CBF響應的特異性受到初始下降不受限制的方式限制，并且在某些情況下，CBF響應可能不足以實現亞毫米空間分辨率。