科學家基于同時電生理fMRI的小鼠睡眠全腦時空動態研究

　　3月24日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表了題為Sleep fMRI with simultaneous electrophysiology at 9.4T in male mice的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）梁智鋒研究組與北京大學未來技術學院生物醫學工程系段小潔研究組合作完成。該研究建立了基于同時電生理記錄的小鼠睡眠功能磁共振成像方法，揭示了小鼠覺醒狀態切換以及特征性神經事件的全腦時空動態特征，為睡眠研究提供了新的全局觀測的角度。同時，該研究公開了相關的大規模小鼠睡眠fMRI數據集（https://doi.org/10.12412/BSDC.1668502646.20001），為進一步挖掘和整合多尺度睡眠研究提供了支持。 　　  

　　睡眠對健康有著重要意義。近年來，較多研究發現了調控大腦睡眠狀態的環路機制以及關鍵腦區，從微觀或介觀層面為理解睡眠機制提供了幫助。然而，睡眠過程涉及多個腦區的復雜調控，因此在全腦尺度對睡眠調控的宏觀認識也不可或缺。目前雖有較多研究利用fMRI或PET方法觀測人類睡眠過程中的全腦特征性變化，但由于測量尺度以及物種差異，人類研究觀察到的全局性的變化較難與動物研究中微觀層面上的發現進行整合。 　　  

　　研究組進一步優化了此前清醒小鼠的fMRI裝置，建立了9.4T下高度核磁兼容的電生理記錄裝置（圖1a），在fMRI成像同時記錄到小鼠完整睡眠周期的相關信息。根據同時記錄的神經信號和肌電信號，研究可以較好地獲得小鼠fMRI中覺醒狀態的信息如清醒、非快速眼動(NREM)睡眠、快速眼動（REM）睡眠等。該研究探索了小鼠在各睡眠覺醒狀態轉換過程中全腦信號的動態變化過程（圖1b）。 

　　進一步，利用長短期記憶循環神經網絡模型（LSTM RNN model），研究發現BOLD信號可以提前預測覺醒狀態的轉換（圖2）。相比于電生理定義的狀態轉換點，全腦BOLD信號最早可達到提前17.8s進行預測。同時，研究發現了在以上預測過程中貢獻較多的關鍵腦區，為進一步剖析清醒-睡眠調控提供了新方向。 

　　不同睡眠覺醒狀態的大腦具有特定的神經電生理事件，如尖波-漣漪波（sharp wave ripples，SWRs）和紡錘波（spindles）等。利用神經事件觸發的（neural-event-triggered, NET）fMRI方法，研究揭示了SWRs誘發的狀態依賴的全腦時空變化模式。進一步的研究發現，與兩個單獨事件誘發的反應總和相比，耦合的spindle和SWRs誘發了更強的協同效應（圖3）。SWRs和spindle在記憶鞏固過程中均具有重要作用，協同效應的發現為探究記憶鞏固的機制提供了新方向。 

　　該研究建立了基于同時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依賴的動態全腦時空特征。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，相關小鼠睡眠fMRI數據集的公布為進一步探索睡眠機制提供了有價值的數據來源。 

　　研究工作得到科技部、中科院、國家自然科學基金委員會、上海市、臨港實驗室和廣東省的資助，并獲得到腦智卓越中心腦影像中心MRI平臺、中科院腦科學數據中心和實驗鼠房的支持。復旦大學附屬中山醫院的科研人員參與研究。