JNS文献解读：温度骤降，脑波激荡之功能超声解码冷感知的脑状态
2025-08-13 来源:本站 点击次数:33关于参与温度感知的脑区及其相互作用，我们知之甚少。
2024年，法国国家健康与医学研究院（INSERM）Sophie Pezet教授团队及Mickael Tanter教授团队在The Journal of Neuroscience（IF2023=4.4）上发表了题名为“Specific and Nonuniform Brain States during Cold Perception in Mice”的研究论文。这篇研究旨在通过功能超声成像技术（fUS），探索小鼠大脑在感知冷热刺激时的功能连接模式，特别是研究不同脑区（如躯体运动-扣带皮层和下丘脑）之间的动态相互作用。
研究亮点
首次发现脑区反应二分性
躯体运动-扣带回皮层网络与下丘脑在冷感知中表现出特异性分离 —— 冷刺激（尤其是快速降温）增强躯体运动网络连接，同时削弱其与下丘脑的连接，这一模式此前因技术限制未被观察到。
扣带回的情感角色提示
扣带回与躯体运动区的连接在快速降温时增强，结合其已知的情感反应功能，提示其可能参与冷刺激的情感加工（如不适感）。
动态脑状态与冷刺激关联
通过聚类识别出 7 种脑状态，其中 3 种在快速降温时高频出现（特征为躯体运动 - 扣带回与下丘脑的强反相关），1 种在持续冷环境中特异出现（扣带回与其他区域连接降低），揭示冷感知的动态编码机制。
研究结果
小鼠在持续温暖或寒冷环境中的大脑功能连接
通过功能超声成像（fUS）技术，探究了自由活动小鼠在不同恒温地板（15°C寒冷、25℃常温、35°C温暖）暴露20分钟后的脑功能连接（FC）情况，然后，比较了寒冷（15℃）和温暖（35℃）相比常温（25℃）的脑FC动态变化。
结果显示，寒冷刺激（15°C）引发最显著的FC改变，19对FC变化中，12对躯体运动网络（SMN）内部连接增强，而6对SMN-下丘脑连接减弱，1对扣带皮层-下丘脑连接增强。温暖刺激（35°C）仅轻微影响FC，其中SMN内部连接增强，SMN-下丘脑连接也增强。
这些结果表明，极端温度（冷/暖）均会强化SMN内部协同，但寒冷特异性地削弱SMN与下丘脑的功能耦合，提示下丘脑可能在冷感知中扮演独特角色。
图1. 实验设计与时间线。A：小鼠抵达实验室一周后，通过手术将金属板固定于头骨。恢复1周后，进行为期2周的操作训练与适应。随后根据头骨状况和小鼠状态，进行至少2周的成像实验。B：金属板、探头支架和fUS探头的示意图，以及（C、D）成像平面（前囟-0.34 mm）。C：多普勒图像与小鼠脑图谱（D；Paxinos和Franklin，2012）的定位叠加。感兴趣区域包括：1,8 初级躯体感觉皮层后肢区；2,3,6,7 初级和次级运动皮层；4,5 扣带皮层；9,10 下丘脑。E：使用Bioseb设备和fUS成像系统（Iconeus）的实验设置，小鼠暴露于恒温或快/慢速升降温环境。F：成像获取的多普勒信号经过运动伪影阈值去除、拼接、低通滤波、平滑、归一化和SVD滤波处理，最终用于功能连接分析（包括基于种子点的SM静息态网络验证，以及静态和动态FC分析）。
图2. 恒温环境下小鼠大脑的功能连接情况。A：常温（25℃）下的功能连接。B：寒冷（15℃）下的功能连接。C：寒冷相比常温的功能连接变化。D：温暖（35℃）下的功能连接。E：温暖相比常温的功能连接变化。F：成像平面（前囟-0.34 mm）与全脑3D重建及研究脑区定位（SSpll1-l/r后肢感觉皮层；MOp1-l/r初级运动皮层；MOs1-l/r次级运动皮层；ACAd1-l/r扣带皮层；HY l/r下丘脑）。G,H：通过z分数展示ROI间FC的统计学显著变化。
温度快速变化期间FC的改变
通过对比温度快速变化期间与恒温期间的FC变化，揭示了冷刺激对脑网络的特异性调控。
研究发现，快速降温（25℃降至15℃）会显著改变脑功能连接模式：与常温（25°C）相比，快速降温时SMN内部及SMN-扣带皮层间的18对区域连接性增强，而下丘脑与SMN/扣带皮层的6对区域则呈现更强的负相关。这种"SMN协同增强-下丘脑耦合减弱"的模式在与恒温15°C相比较时同样存在，但快速降温能引发更广泛的网络重组。
特别值得注意的是，快速升温虽也引起SMN连接增强，但效应较弱且不显著。研究还发现，无论温度升降，下丘脑-SM-扣带皮层网络在常温下的微弱负相关都会在温度骤变时被显著放大，表明温度变化速率本身即是调节脑网络动态的重要因素。
图3. 快速变温刺激引发的FC变化。I：快速降温刺激的FC情况；J：快速降温刺激相比于恒温25℃环境的FC变化；K：快速降温刺激相比于恒温15℃环境的FC变化；L：快速降温刺激相比于恒温25℃环境发生变化的脑区FC图示；M：快速升温刺激的FC情况；N：快速升温刺激相比于恒温25℃环境的FC变化；O：快速升温刺激相比于恒温15℃环境的FC变化；P：快速降温刺激相比于恒温25℃环境发生变化的脑区FC图示。
温度变化速率的影响
研究结果显示温度变化速率显著影响脑网络响应：慢速（0.5°C/分钟）降温仅引发8对脑区FC改变，效应强度约为快速（1°C/分钟）降温的一半，主要表现为SMN连接增强和下丘脑-SMN负相关强化。而慢速升温却产生与快速变化类似的显著效应，导致SMN内12/21对区域连接增强，同时下丘脑-SMN负相关加剧。
这表明温度变化方向（升/降）与速率共同决定了脑网络重组模式，提示中枢系统对温度动态变化的处理存在不对称性机制。
图4.慢速变温刺激引发的FC变化。Q：慢速降温刺激的FC情况；R：慢速降温刺激相比于恒温25℃环境的FC变化；S：慢速升温刺激的FC情况；T：慢速升温刺激相比于恒温25℃环境的FC变化。
动态功能连接分析
通过k均值聚类从温度变化期间（动态）的FC中识别出7种脑状态，其中5种表现出温度依赖性，根据特征可分为三组：
第一组仅含状态#1（占时54-60%），其连接强度弱，且在恒温25°C时出现频率显著高于其他条件。第二组包含状态#3、#5和#7（占时10-17%），其特征是SM-扣带皮层（SM-Cg）连接增强，同时SM-下丘脑呈负相关。这三种状态在快速降温时出现频率显著高于恒温条件。第三组仅状态#4（占时10-13%），除SM-下丘脑二分性外，其独特表现为扣带皮层与其他脑区连接减弱。特别的是，该状态仅在恒温15°C（持续20分钟冷暴露）时频率显著升高，提示扣带皮层在持续冷刺激中的特异性参与。所有脑状态在升温过程中均无频率改变，再次证实大脑对冷/暖刺激存在不对称处理机制。
图4. 基于k均值聚类的温度编码动态FC分析。按出现频率排序的7种脑状态共波动矩阵（A-F）。通过线性混合模型比较各状态的频率差异（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。弱连接状态#1（占54%）在25°C时更频繁（A）；状态#3/5/7呈现SM/扣带皮层-下丘脑二分性，在冷快降时高发（C,E,G）；状态#4在持续冷暴露时特异性增多，表现为扣带皮层低连接（D）。升温过程未引起状态频率改变。
研究总结
本研究首次运用功能超声成像（fUS）技术，在自由活动小鼠中揭示了温度感知的脑网络动态编码机制。研究发现：1）冷刺激特异性地增强躯体运动-扣带皮层网络连接，同时削弱其与下丘脑的功能耦合；2）温度变化速率显著影响脑网络重组模式；3）通过动态功能连接分析识别出7种脑状态，其中扣带皮层在持续冷暴露中呈现独特的"功能隔离"特征。
该研究为温度感知的神经环路机制提供了全新见解，建立了首个自由活动动物温度编码的全脑动态连接图谱，对理解温度相关的神经疾病机制具有重要价值。
参考文献
Koorliyil H, Sitt J, Rivals I, et al. Specific and Nonuniform Brain States during Cold Perception in Mice. J Neurosci. 2024 Mar 20;44(12):e0909232023. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0909-23.2023.
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