中尺度超声成像技术首次揭示灵长类眼跳方向拓扑组织密码
2025-11-19 来源:本站 点击次数:133后顶叶皮层(PPC)在感觉运动整合中扮演关键角色，其中外侧顶内沟区(LIP)负责将空间信息转化为眼跳运动指令，但其运动方向编码的功能组织长期存在争议。传统成像技术如功能磁共振成像(fMRI)空间分辨率不足，而微电极记录虽能捕捉单神经元活动却难以覆盖大范围脑区。本研究采用功能超声成像(fUSI)技术，以高灵敏度（可检测脑血体积变化达10-30%）、100μm级空间分辨率和毫米级视野，对两只恒河猴LIP区在记忆引导眼跳任务中的神经活动进行长期追踪。研究发现LIP内存在方向选择性编码的中尺度（100-500μm）功能单元，这些单元在数月到数年内保持稳定调谐特性，并呈现前-后拓扑梯度：前部LIP偏好编码对侧向下眼跳，后部LIP偏好对侧向上眼跳。该成果首次在灵长类脑中揭示眼跳方向的细观组织规律，为脑机接口和神经疾病研究提供新视角。
本研究成果由Whitney S. Griggs、Sumner L. Norman、Mickael Tanter、Charles Liu、Vasileios Christopoulos、Mikhail G. Shapiro及Richard A. Andersen共同完成，论文题为《Functional ultrasound neuroimaging reveals mesoscopic organization of saccades in the lateral intraparietal area》，于2025年10月在《Nature Communications》期刊正式发表。
重要发现
01研究背景与成像技术瓶颈
灵长类大脑后顶叶皮层的功能组织一直是神经科学研究的重点，尤其LIP区作为眼跳运动规划的核心区域，其方向编码的空间分布模式尚未明确。早期fMRI研究因空间分辨率限制（通常为1.5mm各向同性 voxel），无法分辨小于毫米级的功能单元；而微电极阵列（如Neuropixels）虽能记录单神经元活动，但电极间距（2-5mm）远大于皮层柱尺寸（100-500μm），且难以长期稳定记录同一神经元群体。这种“毫米-微米”尺度的观测空白，阻碍了对神经环路的系统性解析。
本研究采用15.6MHz高频超声探头，通过平面波成像序列生成功率多普勒图像，以1Hz帧率监测脑血体积（CBV）变化。fUSI的优势在于其100μm×100μm面内分辨率、400μm层厚和12.8mm×16mm视野，可同时捕获微血管级信号和厘米级脑区活动。实验中将微型线性阵列探头置于硬脑膜上，对左侧PPC多个冠状平面（间隔1.66mm）进行长期记录，每场实验持续采集单个平面数据，并通过血管图谱配准实现跨会话对齐。
03方向编码的异质性组织
通过广义线性模型（GLM）分析，研究发现LIP内75%以上voxel对八种眼跳方向呈现特异性响应。这些voxel聚集成相邻的功能斑块，每个斑块偏好特定方向：有的广泛调谐至整个对侧视野，有的仅针对狭窄方向窗（如45°-90°）。值得注意的是，同一冠状平面内存在多个偏好方向不同的斑块，且调谐强度在斑块边缘呈现突变而非渐变，支持“斑块状拓扑”而非平滑梯度模型。
04长期稳定性与解码验证
通过主成分分析-线性判别分析（PCA-LDA）解码模型，研究实现了单试次眼跳方向解码（准确率54-60%），且解码误差集中于真实方向邻域（平均角度误差<35°）。搜索光分析表明，200μm半径的voxel斑块即可独立解码方向，证实信号的空间局部性。最关键的是，跨会话解码显示：模型训练后100天（猴P）至900天（猴L）仍能保持显著性能，且性能下降与成像平面物理偏移（通过图像相似性指数验证）相关，而非神经表征漂移。
05前-后梯度与背-腹侧功能
整合多个冠状平面数据后，研究发现在前-后轴上存在系统性拓扑结构：后部LIP（如-8mm耳杆零点）偏好对侧向上眼跳，前部LIP（-3mm）偏好对侧向下眼跳。这种梯度与早期fMRI发现的视觉场拓扑一致，但本研究首次在运动规划层面证实。此外，LIP背侧（LIPd）与腹侧（LIPv）在方向编码上未呈现显著分离，最强活动出现于二者交界处，提示可能共享拓扑表征。
创新与亮点
01突破中尺度成像难题
fUSI成功弥合了“微观-宏观”成像鸿沟：相较于fMRI，其空间分辨率提升15倍（100μm vs 1.5mm），且灵敏度显著增高（CBV变化幅度达fMRI的10倍以上）；相较于微电极记录，fUSI具备无损、全视野覆盖和长期稳定优势。通过血管响应反推神经活动，首次在灵长类脑中绘制出眼跳方向的连续拓扑图，解决了既往技术无法同时兼顾“大范围覆盖”与“精细分辨率”的痛点。
fUSI的功率多普勒模式通过奇异值分解（SVD）杂波滤波，有效分离血流信号与组织运动噪声。结合刚性运动校正（NoRMCorre算法）和跨会话血管配准，实现了亚毫米级脑活动的长期追踪。这种技术框架为行为过程中神经群体动态提供了新观测维度，例如发现MP区（内侧顶叶）等非传统眼跳区的方向编码，拓展了对PPC功能边界的认知。
03生物医学应用价值
在脑机接口（BMI）领域，fUSI解码模型跨年度的稳定性（>900天）远超微电极BMI（通常需每日重校准），为长期植入式神经假体提供新方案。此外，fUSI的无辐射、便携特性使其适用于术中脑功能定位（如癫痫灶切除）或发育性疾病研究。未来通过3D fUSI或皮层表面适配探头，有望实现全PPC同步成像，进一步解析认知功能的网络基础。
总结与展望
本研究通过功能超声成像技术，揭示了灵长类外侧顶内沟区眼跳方向编码的中尺度组织规律：LIP内存在稳定、斑块状的功能单元，这些单元沿前-后轴呈现拓扑梯度，且其活动可被长期解码。fUSI作为新兴成像模态，在空间分辨率、灵敏度和稳定性方面展现出独特优势，不仅解决了长期存在的神经拓扑争议，更为脑机接口和临床神经影像开辟了新路径。未来工作需结合层析成像、多模态记录（如fUSI-电生理同步）和行为范式优化（如偏心度编码解析），以进一步揭示神经血管耦合机制及认知功能的细观基础。随着探头微型化和算法进步，fUSI有望成为神经科学研究与医疗应用的核心工具。
声明：本文仅用作学术目的。
Griggs WS, Norman SL, Tanter M, Liu C, Christopoulos V, Shapiro MG, Andersen RA. Functional ultrasound neuroimaging reveals mesoscopic organization of saccades in the lateral intraparietal area. Nat Commun. 2025 Oct 1;16(1):8752.
DOI:10.1038/s41467-025-63826-z.