腦智卓越中心發(fā)表基于同時(shí)電生理fMRI的小鼠睡眠的全腦時(shí)空動(dòng)態(tài)性研究
文章來源:腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時(shí)間:2023-03-24 | 【打印】 【關(guān)閉】
圖1 小鼠睡眠fMRI方法和全腦睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)空模式。(a)基于同步電生理fMRI的小鼠睡眠記錄裝置示意圖。(b)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的平均時(shí)頻圖和全腦BOLD信號(hào)變化圖。
進(jìn)一步地,利用長短期記憶循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(LSTM RNN model),研究人員發(fā)現(xiàn)BOLD信號(hào)可以提前預(yù)測(cè)覺醒狀態(tài)的轉(zhuǎn)換(圖2)。相比于電生理定義的狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn),全腦BOLD信號(hào)最早可以達(dá)到提前17.8s 進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn)了在以上預(yù)測(cè)過程中貢獻(xiàn)較多的關(guān)鍵腦區(qū),為進(jìn)一步研究清醒-睡眠調(diào)控提供了新的方向。
圖2 使用LSTM RNN模型預(yù)測(cè)睡眠覺醒狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向。(a)LSTM RNN模型的計(jì)算流程。(b)模型隨間隔時(shí)間變化的預(yù)測(cè)精度及與大腦狀態(tài)預(yù)測(cè)相關(guān)的腦區(qū)。
不同睡眠覺醒狀態(tài)的大腦具有特定的神經(jīng)電生理事件,如尖波-漣漪波(sharp wave ripples,SWRs)和紡錘波(spindles)等。利用神經(jīng)事件觸發(fā)的(neural-event-triggered, NET) fMRI方法,研究人員揭示了SWRs誘發(fā)的狀態(tài)依賴的全腦時(shí)空變化模式。進(jìn)一步地,研究人員發(fā)現(xiàn)與兩個(gè)單獨(dú)事件誘發(fā)的反應(yīng)總和相比,耦合的spindle和SWRs誘發(fā)了更強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)(圖3)。SWRs和spindle在記憶鞏固過程中都起著重要的作用,協(xié)同效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為理解記憶鞏固的機(jī)制提供了新的方向。
該研究建立了基于同時(shí)電生理記錄的小鼠睡眠功能磁共振成像方法,揭示了小鼠睡眠覺醒狀態(tài)依賴的動(dòng)態(tài)全腦時(shí)空特征。該方法的建立為整合局部和全腦睡眠特征提供了新思路,同時(shí),相關(guān)小鼠睡眠fMRI數(shù)據(jù)集的公布為進(jìn)一步探索睡眠機(jī)制提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)來源。
圖3 SWRs和spindles耦合的協(xié)同效應(yīng)。
中科院腦智卓越中心梁智鋒研究員、童傳俊博士研究生和北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系段小潔研究員為該論文共同通訊作者,由腦智卓越中心博士研究生余婭琳、復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院麻醉科博士研究生邱越共同完成。腦智卓越中心研究員徐敏、研究員張哲、工程師張凱威、薄斌仕、裴孟超、上海科技大學(xué)副研究員Garth J. Thompson,復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院麻醉科教授倉靜、副主任醫(yī)師方芳、南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授馮衍秋和北京大學(xué)博士李根對(duì)該研究做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了中科院腦智卓越中心腦影像中心MRI平臺(tái)、中科院腦科學(xué)數(shù)據(jù)中心和實(shí)驗(yàn)鼠房的大力支持。該研究得到科技部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、上海市、臨港實(shí)驗(yàn)室和廣東省的資助。