Neuron: 脑信号传递可以使用「水流扩散」模型来解释吗？-杭州脑海科技有限公司

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通过庞大的神经纤维网络，电信号不断在大脑中传递。这种复杂的活动最终产生了我们的思想、情绪和行为，但当出现问题时，也可能导致心理健康和神经系统问题。

脑刺激是治疗此类疾病的新兴疗法。用电脉冲或磁脉冲刺激大脑的某个区域将通过我们的神经连接网络触发一连串的信号。

然而，目前，科学家们还不太确定这些级联如何影响整个大脑的活动 - 这是限制大脑刺激疗法益处的重要缺失部分。

迄今为止，由于目前的神经影像技术无法在全脑、高时空分辨率下追踪信号传递，在理解大尺度神经信号传递方面的进展受到阻碍。

2023年3月07日，由墨尔本大学的Caio Seguin和Andrew Zalesky教授Neuron（IF=18.688）发表的题为“Communication dynamics in the human connectome shape the cortex-wide propagation of direct electrical stimulation”的研究，该研究使用颅内脑电图（sEEG）来研究大脑的不同区域信号如何相互传递，并使用弥散磁共振成像（dMRI）来推断脑区之间的结构连接。研究者使用结合结构、功能和空间因素的统计模型来预测脑刺激的效果。结果发现：发现脑刺激的信号传递可以用扩散性传递模型来解释和预测。

研究人脑中的信号传递是很困难的。这是因为电信号在大脑的一个部分和另一个部分之间以千分之一秒的尺度移动得非常快。

更复杂的是，信号是通过一个极其复杂的神经纤维网络进行交流的，该网络将所有大脑区域连接起来。这些问题使科学家甚至难以观察通过大脑传递的信号。

然而，在非常特殊和受控的情况下，我们可以使用侵入性电极来精确跟踪大脑信号的传播。侵入性电极是通过手术将仪器插入同意的病人的大脑中。

重要的是要强调这种类型的侵入性手术只能在非常特殊的情况下进行，当主要目标是帮助患者时。在该研究中，患者是患有严重癫痫的人。当癫痫患者对药物没有反应时，他们可以选择使用电极来帮助医生更多地了解他们大脑中可能发生的情况。

该研究是基于北美，亚洲和欧洲20多家医院的550名癫痫患者参与者组成的大数据。

F-TRACT项目概述

电极提供了一种用电脉冲轻轻刺激大脑区域的方法，同时记录患者的大脑活动。该研究使用放置在大脑不同位置的电极数据来跟踪电脉冲从一个区域到另一个区域的交流。

该研究的最后一个组成部分使用了MRI扫描来构建人脑的神经纤维网络，即所谓的连接组。这为我们提供了一个物理线路模型，电信号通过该模型在大脑中传递。

在解剖学上没有联系的刺激和记录点之间观察到明显的反应

那么，信号是如何通过连接体的复杂线路来传递的呢？

一个简单的可能性是信号通过连接体中最直接的路径传播。在网络方面，这意味着电脉冲通过它们之间的中间区域的最短路径从一个区域传递到另一个区域。

另一个观点是信号通过网络扩散传递。要理解这一点，请考虑水如何沿着管道网络流动。

每次水到达网络中的交汇点时，水流都会沿着发散的路径分开。沿水行进的更多交汇点意味着更多的分裂，并且沿任何特定路径的流动都会变弱。然而，如果一些分流路径再次在下游相遇，则水流强度将再次增加。在这个类比中，网络中的所有连接（管道）都有助于塑造信号（水）流，而不仅仅是沿着最直接路径的连接。

这两种类型的网络交流 - 最短路径与扩散性传递 - 是解释电信号如何在脑刺激后通过连接体的线路级联的两个相互竞争的假设。今天，科学家们不确定哪种假设最符合大脑中发生的情况。

该研究是最早试图解决这一争论的研究之一。该研究评估了最短路径或扩散性传递是否最能预测电信号传播，正如患者大脑中的电极所测量的那样。

(a)所有、(b)解剖学上有联系的和(c)解剖学上没有联系的区域对的反应概率的斯皮尔曼相关系数。

数据分析结果显示，该研究发现了支持扩散性传递假说的证据。这意味着，与沿着最短路径传递的神经连接相比，更多的神经连接塑造了大脑刺激如何在连接组中逐级传递。

机器学习对刺激传播的预测

这对科学家来说是很重要的信息，因为它有助于我们了解神经连接的物理线路如何促进大脑活动和功能。

未来需要更多的工作来证实该研究的发现。该研究希望对大脑交流的理解的进展将帮助临床研究者为精神健康问题设计更好的脑刺激治疗方法。

脑刺激可以帮助“恢复”大脑区域之间功能失常的交流。例如，非侵入性刺激（在颅骨外进行，无需手术）是澳大利亚现有的一种治疗严重抑郁症的方法。

在未来的研究中，他们将评估该研究的发现是否可用于提高这种脑刺激治疗的治疗效果。

参考文献

Seguin, C., Jedynak, M., David, O., Mansour, S., Sporns, O., & Zalesky, A. (2023). Communication dynamics in the human connectome shape the cortex-wide propagation of direct electrical stimulation. Neuron, S0896-6273(23)00077-6. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.01.027

资讯来源

https://theconversation.com

数据下载
Clinical partners – Functional Brain Tractography Project (f-tract.eu)
https://f-tract.eu/consortium
The Multimodal Imaging and Connectome Analysis (MICA) dataset

https://portal.conp.ca/

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