Neuron：人脑废用神经环路中的可塑性与自发活动脉冲

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导读：
“用进废退”，这句俗语可能概括了人类大脑运动系统的运作机制。基于使用驱动的神经可塑性对于发育、学习以及损伤恢复等的相关神经环路的塑造具有至关重要的作用。不久前发表在神经科学领域权威杂志《神经元》Neuron上的一项研究指出，在成年人大脑中存在着废用驱使的神经可塑性现象，本文即对该研究进行解读。

摘要：
该文章为研究人类大脑的可塑性，将被试的惯用侧上肢用石膏固定，并保持两周，实验期间每天都进行30分钟的静息态磁共振扫描来追踪被试的功能连接的变化。研究发现石膏固定使得大脑皮层以及小脑中负责该侧上肢运动功能的区域丢失了与其他躯体运动系统之间的连接，然而内部之间的连接却得以保留。这种失连接现象在石膏固定后的48小时内便开始出现，在整个固定期间不断发展，在去除石膏后连接又得以恢复。在石膏固定期间，负责被固定的废用侧运动功能的子环路中出现了幅值异常大的自发活动脉冲，并在该子环路内传播。该研究表明成年人大脑需要惯常性的使用来保持其功能结构。废用性导致的自发活动脉冲可以帮助相关失连接子环路保持其功能活动。

图摘要

一、 研究背景
基于使用驱动的神经可塑性对于发育、学习以及损伤恢复等的相关神经环路的塑造具有至关重要的作用。但人脑大尺度功能网络结构在较长时间尺度（天）上十分稳定，且行为学状态的变化大多不会影响到整体的结构。静息态功能磁共振（rs-fMRI）可以通过探测内在自发神经活动作为探究人脑功能组织结构的有力手段。自发神经活动消耗了大脑代谢中的大部分能量，而且具有相同功能的区域具有较高的一致性，即功能连接（functional connectivity, FC）。
已有诸多研究提出假设，FC是可以受到赫布理论过程（神经可塑性）的影响，比如最简单的，共同激活的脑区具有更强的FC。但之前通过任务训练来探究脑功能组织结构的研究只能发现微弱的FC变化（Δr~0.1）。除此之外，之前的研究多是基于前后两次扫描之间的比较这种方式，不能描绘处FC变化的发展过程。还有许多研究表示，发育中的FC变化是一个逐步积累的过程，且时间尺度较大，多为逐年。至今很少有研究阐明在较短时间过程中，外部行为作用下对大脑功能组织结构的影响。为了研究FC的变化轨迹，该文章通过实验以及超长时间的纵向跟踪，对这个问题进行了探究。

二、 研究方法
1.被试：3名成年健康被试（1名女性Ashely，2名男性Nico、Omar）。其中一名被试(Nico)为该文章的PI。所有被试在扫描近期均为出现惯用侧上肢损伤。所有被试经爱丁堡利手量表均鉴定为右利手。华盛顿大学医学院审核通过该实验。
2.实验干预：所有被试通过石膏来固定其惯用侧上肢。
3.活动监测：通过佩戴于手腕上的加速仪（wGT3X-BT accelerometer, Actigraphy,Pensacola）来检测日常生活中的手部运动。只有在MRI扫描时才将其摘下，其余时间均佩戴于两侧手腕。当加速度读数大于10个单位（1单位=0.016m/s²）时计数一次使用次数。
4.握力测试：利用握力器测试双手握力，每位被试测试时间点如Fig.1D。
手部精细运动测试：普渡钉板任务（Purdue pegboard task）来评估手部精细运动功能。
5.MRI数据采集：所有被试在实验过程中的每一天均接受MRI扫描，每天的扫描时刻保持一致以防止节律现象对FC的影响。每次扫描均采集一段30分钟的静息态BOLD数据，被试被要求注视屏幕黑色背景中的白色十字且保持头部静止。在进行石膏固定之前的几次扫描中，被试进行了一系列运动任务，共两个4分钟的任务时段。
6.预处理：结构像利用FreeSurfer分割并重建皮层，并配准到HCP的fs_LR空间；功能数据经时间层矫正、头动矫正、磁敏感畸变矫正，并采样到Talairach空间。静息态数据还做了去线性漂移、头动过大时间点的插值以及滤波（0.005-0.08Hz）。随后功能数据均采样到fs_LR_32k空间。
7.ROI选取：该研究大部分均使用个体特异的任务定义的感兴趣区（ROI）。基于多个部位（手、舌、足）的运动任务的激活，从FreeSurfer标记的两个结构中选取，分别是初级感觉运动皮层（中央前、后回）以及小脑的上半部分。从这两个区域中选取任务激活值最大的前400个vertex或者前40个voxel作为对应部位的ROI。
8.频谱分析：时间序列信号经傅里叶变换得到功率密度谱，并计算低频神经振荡振幅（ALFF）（0.05-0.1Hz）。
9.脉冲探测：>0.4% 信号变化的极值点以及单边极值点（L-R>0.3% 信号变化）定义为脉冲信号。

三、 研究结果
1. 石膏固定导致的废用引起惯用侧上肢力量的减弱
石膏限制了上肢包括肘部、手腕以及手指的运动（Fig.1B）。加速仪数据显示出在被石膏固定后，该侧上肢的使用次数大幅度减少（Nico:-41%, Ashely: -55%, Omar: -46%, Fig.1C）。在石膏拆除后第一时间内测量了所有被试的握力，均显示出明显下降（Nico: -27%, Ashely: -42%, Omar: -39%, Fig.1D）。普渡钉板测验也显示手部精细运动技能下降（Nico: -24%,Ashely: -29%, Omar: -12%）。同时，被试的另一侧未被固定的上肢显示出升高的使用率（Nico:+24%, Ashely: +15%, Omar: +23%）。但对侧上肢的力量以及精细运动功能并未表现出显著提升。

Fig.1-石膏固定致使惯用侧上肢的废用以及力量的下降; (A)实验设计流程，以被试Omar为例；(B)所有被试的石膏固定；©每天的上肢相对使用率（左比右）；(D)石膏固定前后握力的变化。
2.废用侧躯体运动区域与躯体运动系统失去连接
在进行石膏固定前，每位被试均的负责右侧上肢的初级运动区（rightupper-extremity primary somatomotor cortex,）与对侧区域（）表现出很强的功能连接（Fig.2A-B）。石膏固定导致了两侧上肢初级运动区之间的连接显著降低（Nico: Δr = -0.23, Ashely: Δr = -0.86, Omar: Δr = -0.61, Fig.2B）。同时，废用侧上肢小脑区域（）与对侧小脑区域（）间的连接也显著降低（Nico: Δr = -0.16, Ashely: Δr = -0.07, Omar: Δr = -0.33）。这种对侧间连接的降低仅仅局限于废用侧上肢初级运动皮层以及小脑相关区域，其他区域例如下肢运动区以及面部区均未出现降低（Fig.2C-D）。所有被试在48小时内均已出现显著的FC降低（Nico:cast day 2 Δr = -0.22, p < 0.001; Ashley: cast day 1 Δr = -0.23, p < 0.001; Omar: cast day 1 Δr = -0.83, p < 0.001）。此外，当废用侧上肢初级运动以及小脑区域与对侧半球区域失去连接时，这些区域自身直接的连接变得更强，两种作用相互结合便使得这些区域于群体运动系统中的其他脑区相分割开来（Fig.3）。在石膏去除之后，这些FC的变化又恢复至初始水平（Fig.2-3）。

Fig.2-废用侧躯体运动皮层与对侧失去功能连接；(A)以右侧上肢躯体运动区为种子点的FC模式图；(B)每天的双侧半球间上肢躯体运动区间的FC值；©和(D)分别为每天的双侧半球间下肢以及面部运动区间的FC值。

Fig.3-废用侧躯体运动皮层与躯体运动系统其他区域失去功能连接；（A）个体水平上的上肢、下肢以及面部躯体运动区ROI的选取；(B)石膏固定前、中、后三个时期中躯体运动系统内部网络的重力导向图(spring-embed graph); ©三个时期下躯体运动系统内的网络模块度。
3.石膏固定期间废用侧躯体运动区域出现自发神经活动脉冲
为了进一步探究石膏固定导致的自发神经活动的变化，该文对以及两个区域做了更为细致的研究。在固定期间，所有被试的废用侧上肢感觉运动区的低频神经震荡振幅均显著升高（Fig.4A; Nico: +22%, Ashley: +81%, Omar: +36%），另有一被试的对侧区域的ALFF升高（Fig.4B; Ashley: +26%）。升高仅局限于上肢区域，而下肢区域以及面部等空间上相邻的区域未发生显著变化(Fig.4C-D)。令人意外的是，对于时间序列的观察发现，在固定期间出现了幅值很大的自发神经活动脉冲（Fig.5A）。在该文中，作者将其定义为“废用脉冲”（disuse pulse）。“废用脉冲“的形状与经典的血液动力学响应函数（Hemodynamic Reaction Function, HRF）相近（Fig.5B）。废用脉冲的幅值很大（最高可达1.5%信号变化）而且很容易从的正常的自发活动（<0.5%信号变化）中辨别出来（Fig.5A）。这种废用脉冲在固定前未被发现（Nico: 1.1 pulses/scan;Ashley: 0.2; Omar: 1.0），但频繁的在石膏固定期间出现（Nico: 4.2;Ashley: 11.4; Omar: 12.3），在去除石膏后又消失（Nico: 0.9; Ashley:0.8; Omar: 1.9）（Fig.5C）。

Fig.4-废用侧上肢躯体运动皮层ALFF升高；(A)每天的ALFF值以及幅度谱；(B)每天的ALFF值；©和(D)分别为右侧下肢以及面部区域每天的ALFF值。

Fig.5-废用侧上肢躯体运动皮层中的“废用脉冲”；(A)每天的BOLD信号，黑色线为右侧上肢区，红色线为左侧上肢区，右上角为脉冲信号示意；（B）在被试Ashely中检测到的脉冲信号；©所有被试在每天的扫描中检测到的脉冲个数
4.“废用脉冲”通过废用侧上肢躯体运动子环路传播
“废用脉冲”不仅出现在L-SM1ue，同样会在废用侧上肢躯体运动子环路（L-SM1ue，L-SMAue，L-CMlmue）传播(Fig.6A)。所有被试均发现脉冲信号在该子环路中的传播。脉冲分别以200ms和600ms的间隔相继出现在L-SM1ue，L-SMAue，L-CMlmue(Fig.6B-C)。这种延迟与正常状态下这些区域间自发活动信号的延迟一致。为了验证这种脉冲信号是因为在日常生活中的废用导致的，而并非是在扫描期间石膏固定的存在所引起，该文中设计了一组对照试验，在对照情况下，被试仅在30分钟扫描时间内穿着非固定的石膏套模。该条件下并未发现有FC的变化以及脉冲信号的出现。从而证实FC的大幅降低以及“废用脉冲”的出现是因为在日常佩戴石膏固定的情况下作用产生的，并非是石膏固定在扫描时的短时效应。

Fig.6-“废用脉冲“通过废用侧上肢躯体运动皮层子环路传播；(A)被试Ashely中”废用脉冲“的全脑ANOVA分析，显示出该脉冲信号不仅出现在L-SM1ue，还会传播到L-SMAue，L-CMlmue区域中去；(B)L-SM1ue，L-SMAue，L-CMlmue脉冲信号延迟示意；©在被试Ashely中三个区域间的脉冲信号的出现存在着延迟。

三、 讨论
1.废用会导致FC大幅度的降低
FC在每天之间通常会非常稳定，这也使得在该文中发现的大幅降低（Δr = -0.23,-0.86, -0.61）值得探讨。两周之后所有被试的FC降低幅度甚至可以与中风以及截止后的变化相当。在动物研究中通过神经类药物作用于某一区域也可以使得FC发生较大变化（Δr > 0.3）。然而在人类研究中，通过认知任务诱发的可塑性过程只能发现非常小的变化（Δr ~ 0.1）。该文中的研究与之前得最大区别在于五点：（1）持续性的行为干涉；（2）引入废用而非训练一项技能；（3）检测每日的时间序列活动而非只做前后对比；（4）单次扫描时间长（30分钟），克服数据样本量小问题；（5）在个体水平上进行分析，3个被试相当于三次重复主要发现。
2.FC可以在一天内发生显著变化
上肢运动区在两侧半球之间发现的失连接，可以引证动物模型中剥夺视觉以及阻滞传入神经等研究的发现，同时也支撑了FC可以通过脑区之间的共同激活而得到加强这一假设。这种通过共同激活而加强得效应时间不得而知，有的研究认为是许多年的积累才可以实现。然而，该研究表明FC在足够强的行为上的干预下，在12-48小时内便可显著改变，表明部分区域间的FC是会受到人的行为以及生活经历影响的。这种紧密的联系大大增加了FC在各种神经疾病中的组间差异反映、解释疾病特异的日常行为差异的可能性。
3.自发神经活动在大脑发育期间塑造了多个神经环路
在废用侧躯体运动子环路中发现的自发脉冲信号或许反映了成年人大脑保持其功能组织结构的过程。同时，这种自发脉冲或许还导致了废用上肢子环路与其他运动区间FC的降低。自发活动在神经环路的塑造中有诸多作用方式。海马以及丘脑中的自发神经脉冲被认为对于将记忆转移至皮层的过程发挥了重要作用。而且，大幅值的低频振荡是围产期胎儿全脑神经环路塑造过程中的一个里程碑式的特征。该研究中发现的“废用脉冲“表明成年人大脑中或许存在一种潜在的势能可以使其自发神经活动恢复到自我稳定的状态。
4.人脑——可塑而非稳定
在失去日常使用的情况下，该研究被试均出现半球间对应区域FC的降低。因此，人脑可以将令人惊叹的使用驱动的可塑性能力一直保持到成年时期。同时，自发活动的大幅脉冲开始在废用侧的运动子环路中传播来帮助大脑保持其内部功能组织结构。在石膏固定拆除后运动区的连接以及运动机能恢复到了原先水平，从此可以推断自发活动脉冲帮助相关子环路保持其完整性。
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