發布時間：2025-12-15
近日，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）梁智鋒團隊Nature Communications上發表了覺醒波動（arousal fluctuations）調控大腦功能網絡動態整合的重要成果。該研究整合了人類與小鼠功能磁共振成像（fMRI）與多模態光電神經記錄及操控技術，揭示了藍斑核-去甲腎上腺素（LC-NE）系統介導的覺醒波動驅動了全腦功能連接呈現“倒U型”非線性動力學變化，為心理學中的耶克斯-多德森定律（Yerkes-Dodson Law）提供了功能網絡層面的機制性解釋。
你有沒有過這樣的經歷？深夜神思倦怠時，大腦如同陷入混沌，思緒難以凝聚；午后精力充沛時，思維卻異常清晰，效率倍增；但當你緊張過度、心跳加速時，反而會大腦一片空白，表現大打折扣。
這一廣為人知的心理學現象，便是耶克斯-多德森定律（Yerkes–Dodson Law）。該定律指出，行為表現與覺醒水平之間呈現倒U型關系——適度興奮時，表現最為出色。然而，這一典型行為模式所涉及的全腦功能網絡基礎及其內在的因果驅動機制，至今尚未得到明確的闡述。
本研究首次在跨物種（人類與小鼠）、跨狀態（靜息態與任務態）的框架下，系統性地證實了以下核心結論：
研究團隊首先基于人類公開數據集，分析了參與者在執行視覺檢測任務時的功能磁共振成像（fMRI）數據，并同步記錄其瞳孔直徑作為覺醒水平指標。結果顯示，在任務狀態下，隨著覺醒水平的升高，行為表現水平和全腦功能連接的強度呈現出先增強后減弱的“倒U型”變化趨勢，峰值出現在中等覺醒水平。同時，人中的靜息態fMRI數據表明，受覺醒水平調節的“倒U型”功能連接動態性這一現象在靜息狀態下也同樣存在。
為深入揭示這一現象背后的神經機制，研究團隊在清醒小鼠fMRI實驗中同步記錄了藍斑核去甲腎上腺素神經元（LC-NE）的鈣信號、皮層胞外去甲腎上腺素濃度以及顱內腦電（iEEG）信號。結果表明，LC-NE神經元的自發活動與全腦功能連接強度之間存在著顯著的非線性關聯。具體表現為：隨著LC-NE神經元活動增強及其下游去甲腎上腺素水平的上升，全腦功能連接強度呈現先增強后減弱的“倒U型”變化趨勢。
為確立藍斑核-去甲腎上腺素系統在該現象中的因果作用，研究團隊采用了嚴謹的雙向光遺傳學干預策略。通過在LC-NE神經元中分別精確表達興奮型視蛋白（SSFO）或抑制型視蛋白（stGtACR2），實現了對LC-NE神經元活動的增強或抑制的雙向調控。使用該范式，研究結果表明，在清醒小鼠中LC-NE神經活動的增強或抑制帶來了相應的覺醒水平的上升或下降，并均導致全腦功能連接強度減弱。以上結果說明了LC-NE系統在倒U型關系中的因果性貢獻。
尤為關鍵的是，為探索其非線性特性的根源，研究人員采用了化學遺傳學方法進一步驗證。在清醒小鼠中，化學遺傳學激活LC-NE神經元，可促使覺醒水平從中等升至高水平，并引發全腦功能連接的降低。在低濃度異氟烷淺麻醉小鼠中，化學遺傳學激活LC-NE神經元，則促使覺醒水平從低升至中等水平，并伴隨全腦功能連接的增強。這一發現清晰地表明，LC-NE系統對全腦功能連接變化的方向性并非固定不變，而是高度依賴于行為狀態所處的初始覺醒水平。
這些發現共同構成了一個完整的因果鏈條：LC-NE神經元活動增加 → 皮層NE濃度升高 → 覺醒水平提升 → 全腦功能連接發生改變（其方向由基線覺醒水平在倒U型曲線上的初始相對位置決定）。綜上所述，本研究不僅觀察到了LC-NE系統活動與功能連接之間的相關性，更重要的是，通過雙向、精準的神經調控，并結合多模態EEG-fMRI，在活體大腦中驗證了“藍斑核-去甲腎上腺素系統”的活動是塑造全腦功能連接與覺醒水平倒U型動力學的因果驅動因素。
中國科學院腦智卓越中心梁智鋒研究員和童傳俊博士為該論文的共同通訊作者，腦智卓越中心童傳俊博士和研究生李葳帥、北京昌平國家實驗室鄒藝娟博士為該論文的共同第一作者。腦智卓越中心助理實驗師夏盈、高級工程師裴孟超博士、工程師張凱威、工程師駱義超在研究中做出了重要貢獻。該研究得到了中科院中國科學院腦智卓越中心腦影像中心、中國科學院中科院腦科學數據中心和實驗鼠房的大力支持。該研究得到科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、上海市、中國博士后科學基金會的資助。
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