啮齿类动物大尺度功能网络

人脑静息态功能磁共振成像(rsfMRI)研究表明，在协调功能活动的复杂层次结构中存在多个大尺度神经网络。这些分布式的神经解剖系统为了解大脑功能及其在各种神经病理学条件下的受损情况提供了一个新兴的研究视角。在实验动物中，可以对其遗传和环境条件进行高特异性的控制和操作，对这些动物内在宏观的连接网络的研究为阐明这些改变的生物学决定因素提供了机会。虽然rsfMRI方法现在被广泛用于人类连通性研究，直到最近这些方法才被迁移到实验动物的研究中去。在此，我们回顾了啮齿动物功能连接性研究的最新进展，强调了这种方法解析大尺度脑网络的能力，该网络概括了人脑中已知功能系统的神经解剖学特征。这些包括但不限于在大鼠和小鼠中鉴定的一系列分布区域，其可能代表了假设的人类默认模式网络(DMN)进化前身。还对实验和方法学中潜在混杂的影响进行了批判性讨论。最后，我们强调了脑网络分析在转基因模型中，作为研究与人类神经疾病和精神疾病相关的大规模连接性改变的神经病理学基础的工具的巨大潜力和一些初步应用。最后，我们讨论了这些方法在基础和应用神经科学中进行迁移应用的潜力。本文发表在Neuroimage杂志。

导语：

类似磁共振成像(MRI)这样的神经成像方法，极大地提高了我们对人类大脑大尺度网络组织的理解。血氧水平依赖(BOLD)功能磁共振成像(fMRI)方法最初设计用于研究大脑对特定任务的处理以及通过认知过程的调节，最近被用于揭示人类大脑在无明确任务下的内在网络组织。这种被广泛称为静息态功能磁共振成像(rsfMRI)的方法，依赖于BOLD功能磁共振成像信号的自发低频振荡表现出大脑不同区域之间可重复的、解剖特异性的关联模式，从而将这种信息用作衡量功能连接的指标。对这一现象的最初观察源自于运动皮质中存在双向相关信号，随后不久在视觉和听觉区域也有类似的发现。除了类似大脑区域的双向相关信号外，rsfMRI最有趣的发现在于涉及到识别大尺度的、解剖分布的皮层网络，其中一些网络与大脑功能的特定方面有关。例如，来自前额叶和顶叶皮层背外侧区域的时间相关信号定义了一个涉及执行控制和注意的网络。类似地，涉及前岛叶和背侧扣带皮层的功能连接结构也说明其参与了相关信息的处理，从而定义了突显网络。所谓的默认模式网络(DMN)是研究最多的人脑大尺度网络之一，它涉及到楔前叶/后扣带皮层、内侧前额叶皮层、外侧顶叶和海马周围皮质的相关区域。有趣的是，这个网络最初是根据其低频时间相关性以外的特性来确定和命名的。这些结构在许多功能成像实验中被观察到，当受试者从事特定的任务时，在fMRI和功能性PET实验中这些区域表现出负性信号变化。这一观察结果使得我们产生了这种观点，即这组大脑结构与大脑功能的默认模式相关联，即当大脑空闲或不受约束时最活跃，而当进行特定的智力任务时则不活跃。DMN结构已经被证明在没有任务的情况下具有强烈的时间相关性，尽管其作用仍存在争议，但是DMN已经成为人类静息状态网络中研究最广泛的网络之一。

大尺度功能网络的研究可能为理解脑疾病的运作提供一个关键的切入点。大脑疾病是由于多基因和多因素引发的，但是其本质较为复杂，在临床上只能根据其症状表现来定义。这使得难以确定候选遗传风险变异的生理效应，也不好确定可能导致其发病和进展的神经病理学特征。控制这种复杂性的一种策略是研究内表型，它可能帮助识别这些综合征的遗传或环境基础的客观和可测量的标记物。大脑的rsfMRI连通性异常代表了对某些精神障碍，如自闭症和精神分裂症的一种潜在的内表型，它们与局灶性神经病理特征无关，而是被认为是以神经连通性的病理模式为特征的发育障碍或连接异常。然而，为了使rsfMRI连接信号具有临床意义，需要对其起源和病理学意义有更深入的了解。对这些方面的实验研究有助于深入了解临床人群中观察到的异质性，将大尺度脑系统功能障碍与潜在的细胞和神经生物学过程联系起来。它还可以在确定所观察到的连通性改变本身是因果性的，或是反映特定的潜在病理过程方面发挥重要作用。

虽然正在进行的人类研究试图解决这些问题，但要完全了解协调宏观功能连接及其畸变的起源和意义，需要介入方法和控制实验条件，而这些处理只有在动物模型中才能实现。在转基因啮齿类动物中使用类似的测量方法在这方面将有很大的前景，现在通过不断增加的复杂的转基因小鼠模型来理解连接缺陷的遗传基础，并以此作为一种手段，以更充分地了解复杂的神经生理过程背后的血流动力学变化测量功能磁共振技术。MRI硬件的最新进展和动物生理学控制的改进最近已经使fMRI方法能够迁移到大鼠和小鼠的研究中去。在研究啮齿类动物的功能连通性的早期工作中，使用交叉学科的方法来阐明在种群水平上，对应用刺激作出协调反应的大脑区域。这种方法可以追溯到2-脱氧葡萄糖的早期研究工作，而后也被应用于人类功能和结构神经成像，并发现其在药理刺激下大鼠大脑连接关系的研究中有特殊的应用。最近，使用被试内的分析方式分析时间相关rsfMRI功能网络的可靠变化已经在大鼠和小鼠中被证明。这些进展为通过在基因工程实验室动物中采用新的干预方法来补充人类研究打开了可能性，并有望填补一个重要的迁移解释的空白。

啮齿类动物的大尺度功能网络

最近，使用与人类研究中相同的功能磁共振技术，我们开始对啮齿类动物大脑中的功能连接关系有所了解。在基于大鼠的早期实验中，证实了大脑同源区域之间双边相关的低频BOLD振荡，另一项早期研究使用假设驱动的方法来确认涉及中脑、丘脑和皮质区域的感觉运动和视觉通路之间的功能连接关系。随后，一些使用独立成分分析(ICA)的研究报道了一些可区分的功能网络成分，这些功能网络成分可能与包括背侧和侧部感觉、基底神经节、海马和中部扣带前额叶皮层等分区在内的特定的神经功能和大脑解剖结构相关。灵长类动物和人类网络类似的基本皮质和皮下系统在最近的大鼠研究中得到了详细的描述，并在小鼠中进行了探索研究。

基于种子点的分析已经确定了包括前后和皮质下皮层网络在内的更多区域的功能关系，并证明其与鼠脑内已建立的解剖连接高度一致。在一项范例研究中，与丘脑特定核团相关的连接模式揭示了与已知解剖连接对应的解剖特异性相关图谱。这项基于扩散张量成像和rsfMRI方法构建的丘脑到皮层的结构与功能网络连接与经典的人类连接研究相呼应。

在另一项研究中，我们描述了一个明确的海马前额叶网络，在相关强度上其存在微妙的网络内解剖变异。重要的是，尽管这个源于海马体后部、扣带回皮质和前额叶/眼窝前额皮质前部的网络是由强大的BOLD信号主导的，但中部丘脑背侧皮质也被识别为这个网络的一部分，这与Liang等人的研究结果一致。海马前额叶系统的异质性及其功能连接模式被发现与已知的解剖连接紧密一致。此外，本研究还发现，大鼠和人类之间穹窿远端海马相对于穹窿近端海马和内侧前额叶皮质之间的功能连接强度明显保守，这也重现了小鼠的电生理研究结果。这两项研究都证明了跨物种的功能连通性特征具有很强的保守性。

在小鼠大脑大尺度静息态功能磁共振成像网络的可靠映射方面也已开始取得进展。最初的研究未能证明包含对侧同位区的rsfMRI网络与在大鼠和灵长类动物中观察到的结果类似。然而，最近的研究成功地解决了小鼠的双侧和分布式功能连接网络。Sforazzini等人通过严密控制运动伪影和外周生理参数，首次证明了小鼠大脑中存在强大的同位rsfMRI连接网络。通过使用独立成分分析(ICA)，作者能够识别包含多个已确立的皮层和皮层下神经解剖系统的可重复网络。其他研究小组最近也发现了小鼠大脑中类似的rsfMRI网络，同时也证明了胆碱能和5 -羟色胺能药物对其药理的调节作用。与上述大鼠和灵长类动物的发现相结合，这些发现强调了自发性半球间同源性波动的存在，这是哺乳动物大脑的基本神经结构特征。

重要的是，这些研究也提供了强有力的证据，证明存在强有力的大规模前后神经网络。其中两个网络值得特别介绍(图1)。基于种子的前岛叶皮质相关图显示了与包括背扣带皮层和腹侧纹状体在内的分布的前后网络的强连接，从而定义了一个特征连接标志，再现了人类突显网络的神经解剖学特征。虽然这个系统在啮齿类动物中的功能意义尚不清楚，其独特的神经解剖学特征导致推测，低等哺乳动物物种可能有一个进化得相对保守的突显网络同源物，对相关环境产生适当的行为反应。然而，还需要功能研究来支持这一假设。第二,一直有人使用基于种子点的FC分析以及基于ICA的方法对大小鼠的大脑活动进行研究发现，有包括扣带回、前额叶皮质以及邻近腹侧海马等脑区构成的网络。最近在小鼠身上的研究也发现了类似的相关性特征。尽管该网络的具体功能意义仍有待确定，但其解剖学连接模式已让一些作者提出了与灵长类和人类DMN功能对应的假设。基于神经生物学可能的迁移含义以及一些公开的争议与这一假设将在下面进行更详细的讨论。

Figure 1小鼠大脑的大尺度功能网络包括具有神经解剖学特征的分布式神经系统，使人联想到人类突显和默认模式网络。

(a)小鼠前岛叶皮层中的双侧核团分解出一个背腹侧网络(下图)，类似于人显著性网络，其包括腹外侧纹状体、伏隔核和背侧扣带回皮层。

(b)基于种子连接的小鼠前额叶皮层连接分布显示，rsfMRI与眶额皮层、前扣带和后扣带(脾后皮层)以及顶叶和海马周围联系皮层的参与有很强的相关性，这种分布模式也让人联想到人类DMN的神经解剖学组织。

啮齿动物的默认模式网络

啮齿动物默认模式网络的解剖学组成：

类DMN网络在啮齿类动物中的研究具有重要意义，因为类DMN网络被认为在人脑中具有独特的功能贡献。在过去的三十年里，脑影像将大脑DMN功能定义为包括共情、回忆和想象。概念加工和意识意识等传统上被认为是人类独有的内部认知模式和各种自我参照功能的关键基质。然而，DMN结构之间的相关低频振荡在意识缺失和状态改变时仍然存在。此外，灵长类大脑中同源网络的发现挑战了其对人类独特性的观点，认为在非人类物种中也存在解剖上保存的DMN前身。这些发现推动了对如大鼠和小鼠这类低等物种中存在类似系统的研究。这种兴趣主要还在于可为病理状态下DMN连接改变提供有力证据，但是其神经生理学基础仍未确定(图2)。

Figure 2最初由Lu等人描述。大鼠的显著区域包括：眶额皮质和覆前皮质、扣带回听觉联合皮质、后顶叶皮质和脾后皮质以及背侧海马。对于人类DMN，显著的簇包括眶额和内侧前额叶皮质/前扣带回皮质、外侧颞皮质顶叶下部和后扣带回/后脾皮质；海马/海马旁皮质。猴DMN(中):背内侧前额叶皮层，外侧颞顶叶皮层；后扣带回/前叶皮质，后海马旁皮质。

在啮齿动物中，最初Lu等人在美托咪定镇静的大鼠中描述了分布在眶额、额前叶、扣带、脾后和海马周围皮质的rsfMRI信号，随后的研究人员在使用不同麻醉条件的大鼠和小鼠中重复进行了相近的rsfMRI研究发现这些区域在小鼠和大鼠的解剖分布总体上是一致的，主要包括联合额叶和海马周围皮质，这些区域可能与人类和灵长类大脑的类似区域有关。最近，其他研究人员在大鼠和小鼠中描述了涉及包括如前额叶、眶额叶、扣带、脾后皮质在内的脑区构成网络的类似连接模式(图3)。

Figure 3尽管使用了不同的麻醉条件，大鼠(上图)和小鼠(下图)类DMN的空间组织保持不变。在大鼠(上图，美托咪定麻醉)和小鼠(下图，氟烷麻醉)中，由rsfMRI突出显示的类DMN网络的水平(左)和矢状(右)视图。[简称:Cg，扣带回皮层；OFc:眶额皮质；PtA:颞后联合皮质；Rs，脾后皮质；Th:丘脑]。

重要的是，通过药物灌注使用血管内氧化铁纳米颗粒作脑血容量分析，Sforazzini及其共同作者证明了小鼠类DMN网络也可以通过脑血容量(CBV)加权rsfMRI可靠地检测到，该方法最近也被用于人类脑网络的研究中去。在CBV加权rsfMRI中，大血管的纯血管内信号贡献可以忽略不计，因为血管内注射氧化铁纳米颗粒后，血液的T2/T2*较短。当使用像CBV这样的成像对比时，存在强大的类DMN网络连通性，这对大血管的血管作用不那么敏感，证实了观察到的功能耦合的神经起源，并与一些作者所假设的表面引流血管的人为因素相悖。Stafford等人最近报道了小鼠体内存在分布式类DMN网络的更多实验验证据，他们证明小鼠白质再现了在人类和灵长类大脑中观察到的拓扑特征。预测小鼠DMN沿中线前后轴的前后分布。后续工作已经证明了在可复制实验条件下进行研究类DMN网络中相关性的稳健性和再现性。 啮齿类动物DMN的功能组织：最近的研究已经开始揭示这个rsfMRI网络的功能组织。最近，使用图论和类群检测算法在一群大鼠中发现了一个类DMN模块，以及其他包括外侧运动感觉网络在内的可靠的局部神经网络。有趣的是，在同一篇论文中，功能性连接中心被发现位于中线DMN的关键关联区域。基于小鼠白质追踪发现这些脑区很可能在啮齿动物的大脑中起到信息整合的功能，重要的是，它位于与高度连接的中枢区类似的大脑区域，而中枢区作为人类DMN的广泛拥有功能特征而出现。在大鼠和小鼠中，类DMN网络的中线区域(即前额叶、扣带回、脾后皮质)和由感觉运动皮质区组成的外侧网络，从岛叶皮质延伸到前运动区，被认为代表啮齿动物的额叶视野。这些发现与人类对DMN的研究一致，该研究一贯强调与涉及额视野、次级体感和后岛叶皮质的外侧皮质网络的时间负相关信号。重要的是，上述两项啮齿动物研究还强调，在不去除全局信号的情况下，可以识别出微弱逆、负相关关系，从而总结了人类DMN的类似特征 (图4)。

Figure 4 大鼠和小鼠中线DMN区域保存了反相关的额顶叶皮层网络。投射到小鼠(左)、大鼠(中)和人(右)大脑表面重建上的内侧和外侧视图。这些地图显示了中线类DMN区域和外侧皮质区域之间强有力的反关联，这是人类DMN的基本拓扑特征(右；PFC: 前额叶皮层，IPS:顶下沟，PCC:后扣带回皮层)，图中红色/黄色表示正相关，蓝色表示负相关。最近，在不同的实验条件下对这一观察结果的独立证实也已发表。van der Marel团队以及Kalthoff团队分别使用异氟烷以及用美托咪定对大鼠作麻醉镇静处理，描述了大鼠与抑制相关的躯体感觉运动和中线DMN信号。Sierakowiak等人也描述了服用美托咪定的大鼠扣带回和运动感觉皮质之间与抑制相关的rsfMRI信号，尽管作者没有观察到广泛的扣带回前后脾连通性。在使用氟烷麻醉和全局信号回归的独立队列小鼠中也发现了类似的联通性。最近关于自发性扣带-体感反作用的证据也出现在其他如功能性超声成像和光学内在成像在内的非MRI功能连接数据中。尽管这种现象的起源和功能意义尚不清楚，而且这种效应的功能位置存在一些差异，这点将在下文讨论，但保守的来看观察到的负相关rsfMRI信号与特定啮齿动物和人类及猴子rsfMRI系统之间的功能网络拓扑结构一致。在啮齿动物中，解决与类DMN网络或其他大尺度网络的功能角色相关的假设，很可能需要对认知或行为状态进行实验操纵，并测量它们对局部大脑活动和功能连接的调节作用。由于需要麻醉或固定，啮齿类动物难以实现基于任务的功能磁共振成像(fMRI)，因此可以使用组织血液氧含量测量等替代手段在从事被动和主动神经认知任务的自由行为啮齿动物中提供了一条可行的路径来回答这些问题。在任务诱发的啮齿动物大脑功能连通性变化的首次实验中，在持续注意任务中，使用血液氧含量检测装置测量中线类DMN网络(前边缘皮层和脾后皮层)和外侧皮层网络(运动皮层和侧体感觉皮层)内部和之间的低频波动组织氧化。网络内相关显著大于网络间不显著的相关，这与rsfMRI的研究结果一致。该任务导致类DMN网络内的连通性下降，但外侧皮层网络的连通性却没有下降，这些发现随着实验的消失和恢复减弱并恢复，说明了这种方法检测啮齿动物大脑功能连接体的网络特异性调节的能力(图5)。

Figure 5任务诱导的行为大鼠DMN连接性调节。使用氧流相关性和块设计研究，其中大鼠在持续的器械反应期（T1和T2）和非计划的自发行为（R1和R2）之间交替，在DMN节点对之间观察到任务诱导的功能连接性降低，类似于人类的发现。在采集和静息时段的分段期间0.01 到0.1 Hz频率之间的DMN连接热图。颜色表示介于0.3和0.8之间的r值，其中x轴上的时间以分钟为单位

人类研究表明，DMN 内部的功能连接对行为状态同样敏感，尽管这种影响可能与任务有关，并且在任务执行期间变得相对更加分散。虽然远非定论，但这些初步结果与啮齿动物类 DMN 网络在主动任务参与期间的被动作用的概念相一致。重要的是，这些数据还说明了这种方法检测啮齿动物大脑功能连接的网络特异性调制的能力，从而补充了麻醉状态下的 rsfMRI映射，并突出了研究这些假定前体系统的功能和进化起源的可行方法。这些结果留下了一个问题，即啮齿动物的大脑是否包括涉及更高认知功能和注意力的与人类额顶系统的类似的网络结构，如背侧注意力或执行控制网络等？目前，最可能的假设是人类的这些功能受到啮齿动物根本不存在的皮质特征的支持，或者识别出的大尺度 DMN 网络可能可以分解为支持不同功能的更集成化的组件，并且可能在对注意力任务做出反应。

啮齿动物DMN功能障碍的初步证据也已产生。Henckens等人报道了长期暴露在应激环境下大鼠类DMN内部的连通性增加，而DMN连通性下降的初步证据在小鼠模型中也有出现，这些模型重现了与自闭症相关的基因改变。可以想象，未来的研究将阐明在人脑病理模型中映射的网络的作用和迁移意义。

开放的问题与争议

虽然有希望在啮齿类动物中观察到类DMN的rsfMRI连通性图谱，但与这个网络的检测、组织和功能相关的主要问题仍然是悬而未决的，在这一发现被认为是可以从人类研究中反向迁移的普遍现象之前，需要解决这些问题。首先，与广泛而容易检测到的人类DMN不同，并不是所有的啮齿动物研究都成功地识别出了类似的网络。例如，一项在清醒大鼠中绘制类DMN激活图谱的早期尝试突出了这个网络的一组不包括前额叶区域中更重要的候选区域。最近的另一项研究质疑了这个网络中海马成分的持久性，在海马依赖学习一周后，海马成分似乎减弱了。正如下一节所讨论的，麻醉深度、运动、生理参数和其他干扰因素的不当控制可能解释了迄今为止发表的阴性结果的很大一部分原因。与这一观点一致，使用改进的噪声回归方法导致观察到小鼠脑内类似DMN的中线网络，啮齿动物研究中的生理噪声控制显示类DMN激活似乎特别严格。已经证明了可靠的类DMN标测的研究实验室可以通过对麻醉类型、剂量和生理信号混淆的作用进行系统的评估来帮助消除这些影响，从而造福于影像界。

在啮齿动物和人类DMN研究中，与该网络功能组织相关的差异可能更难消除。例如，一些啮齿动物研究将已确定的前额叶前后区、扣带区和脾后区之间区域的称为类DMN网络，但是没有证据表明颞部或海马体周围包括在内。同样地，与人类DMN不同的是，啮齿动物的rsfMRI数据集的全局信号去除会导致更加局灶性的中线前后扣带连通区域，额叶、海马周围和后联合皮质区之间的相关性减弱或丢失。这些观察结果将类DMN中线区域定义为这个假定网络的核心枢纽。然而，时间相关区域和海马周围区域对类DMN连接的贡献仍有待确定。小鼠前额叶皮层投射轴突的轴突连通性显示出两种不同的长期投射系统的融合，即外侧皮层整合网络(颞叶联结、前脑岛)和内侧系统(包括脾脏后周区域(视觉、听觉皮质)。迄今为止啮齿类研究中描述的类DMN特征似乎代表了这些连接区域的组合。这两个或两个以上子系统是否在功能上与人类DMN相关仍有待确定。电生理连接测量和层切作图可能有助于阐明这些关系。

在人类和啮齿动物的神经解剖学组织方面，差异也很明显。在人类中，DMN最突出的中枢是楔前叶，而在啮齿动物中，这一功能似乎是由前额叶/扣带区域维持的。这一特征与这两种动物的扣带皮层不同的细胞结构组织是一致的，这似乎在前额叶区域高度保守，并且缺乏啮齿类动物楔前叶的清晰解剖信息。根据最近的跨物种细胞结构图谱研究，人类楔前叶可能与啮齿类动物的脾后皮质有关，但在神经解剖学上并不相同；灵长类动物和人类的后扣带区23和31在啮齿动物中并没有出现。这些差异是否意味着功能上的差异还有待确定。

不一致也会影响负相关信号的观察。并非所有研究都描述了这种现象，这一发现可能反映了不同的图像预处理策略、麻醉相关或生理混淆的存在。梁等人在清醒的大鼠中探究了不同麻醉剂量的影响， 观察到低剂量情况下腹侧前额叶皮层和大脑基底区域之间信号的负相关性，当使用更高剂量的麻醉剂时，这种情况却又不存在了。 在小鼠和大鼠类DMN映射中，正相关和负相关信号分布的差异也很明显（图 4）。对预处理、麻醉剂类型、麻醉深度以及生理参数的作用进行进一步系统评估或许可以帮助解开这些差异的本质。

啮齿动物功能连通性机制研究：

在作用机制上，许多研究已经开始研究rsfMRI测量的大鼠血流动力学波动与电生理信号之间的关系。最近的研究揭示了反映宽带局部场电位调制的低频BOLD波动(<0.1 Hz)和次流(<0.1 Hz)电生理信号之间的相关性。BOLD信号的波动也已被证明与局部场电位较高频段的功率相关，并且在动态意义上与神经事件后的电生理信号定位密切对应。这些发现加强了BOLD信号波动和神经元活动之间的相关联系，并支持将rsfMRI解释为神经元连接潜在特征的替代测量。

最近在啮齿动物身上验证 rsfMRI 的一个重要进展是应用该技术来描述疾病模型和药物暴露的影响，从而也建立了一个证据体系，定义了在这些情况下功能连接性指标的敏感性。一个早期应用疾病模型的例子是使用周围神经结扎模型来跟踪功能连接性的变化，这种变化反映了感觉运动系统的突触可塑性周围神经损伤(前肢神经结扎)。最近，中风、癫痫、脊髓损伤、创伤性脑损伤和慢性应激等疾病模型也被描述为可以与参考临床人群相关的改变。

对大鼠大脑功能连接性的合理药理学调节也已开始得到证实。单次急性给药(1 mg/kg i.v .)多巴胺D2拮抗剂氟哌啶醇诱导黑质上行多巴胺前脑投射内的功能连接性降低。一项使用S-氯胺酮的研究显示，海马前额叶系统内的功能连接性增加，这一发现与在人类中的观察结果在方向上一致。最近描述了使用选择性激动剂和拮抗剂在富含α2肾上腺素能受体的大鼠脑区对功能性连接强度进行的发散性调节，从而强调了肾上腺素能系统在调节功能性连接中的作用。最近，在清醒大鼠中报告了过氧化物酶体增殖物激活受体-γ (PPARγ)吡格列酮对海马连接性的调节作用，从而将这一实验范式扩展至非麻醉状态。

方法学考量：

麻醉的使用控制

在小鼠和大鼠等不顺从物种中实施fMRI通常需要采用麻醉程序。这一方法论方面提出了一个问题，即所识别的网络是否紧密反映了被动意识状态下啮齿动物大脑的功能结构。在一系列精心设计的大鼠研究中，在深度麻醉与清醒状态下观察到了额丘脑和额海马连接受损、连接强度减弱、前额叶和边缘抗纠正改变以及前额叶rsfMRI网络动力学受损，从而揭示了麻醉可能对啮齿动物rsfMRI图谱产生网络特异性干扰。然而，在麻醉和有意识的人类和灵长类动物中绘制的rsfMRI网络图之间的多次比较令人信服地表明，麻醉的干扰效应严重依赖于剂量，在较低的麻醉剂量下，包括DMN在内的多个分布式系统的连接结构几乎被完全保留。最近在清醒和麻醉猴中进行的多电极电生理测量支持了这一观点，并表明大规模脑网络的空间组织由神经活动产生，该活动仅略微依赖于意识状态，并具有宽带频谱特征。在增加麻醉剂量的情况下进行的啮齿动物研究已产生了相似的证据，表明同伦皮质信号之间的连接强度呈剂量依赖性降低。重要的是，最近在清醒、习惯扫描仪的大鼠中进行的rsfMRI测量显示，存在一种功能性网络架构，这种架构似乎与在轻度麻醉的啮齿动物中观察到的架构具有高度可比性。例如，在清醒受限大鼠中观察到双侧同伦连接网络，与在气体浓度麻醉下大鼠和小鼠中鉴定的类似ICA成分非常相似。虽然这些发现是初步的，但表明在啮齿动物中在轻度、控制性麻醉下识别的大规模网络概括了在意识状态下映射的网络的主要组织和拓扑特征。

应设计不同麻醉方案对rsfMRI网络拓扑影响的比较，以便于比较类似的大脑状态。如果不满足这一条件，可能会出现不一致和潜在冲突的结果，这可能会误导对啮齿动物rsfMRI测量的可靠实施感兴趣的研究人员。例如，与镇静药物美托咪定相比，大鼠研究表明异氟醚对rsfMRI的可靠性和区域特异性有不利影响。然而，这些研究比较了相对高(猝发抑制)水平的异氟醚(1.5%)与低剂量镇静剂的效果，从而比较了完全不同的大脑状态。后来采用较低异氟醚水平(1%)的研究确实强调了保留的同伦连接性，与使用美托咪定可实现的连接性相当，这种效应也在猴中得到证实。这些差异表明，所报告的麻醉剂之间的差异通常过于简单，不一定能够反映药理学特性和神经底物的差异，但很可能由于受剂量依赖性的作用，反映了镇静水平和不同治疗方案诱导的脑状态。与这一观点一致的是，在使用氟烷、异氟烷或美托咪定的小鼠、使用异氟烷或美托咪定的大鼠以及使用异氟烷的灵长类动物中观察到了非常相似的功能连接模式，包括一致的前后分布如类DMN的rsfMRI网络，而当使用较高剂量的挥发性麻醉剂抑制时，此类分布系统显示出相关性和空间范围大大降低。与此相一致，已在大鼠和小鼠中使用以不同作用机制为特征的多种麻醉剂(或麻醉剂组合)描述了皮质和皮质下区域的同伦半球间偶联，如美托咪定、异氟醚、氟烷、氯胺酮/赛拉嗪尿烷和α-水合氯醛。这些发现表明，对不同麻醉方案(及其对清醒状态的推定干扰效应)的适当评估应考虑其在所用剂量下产生的机制特性和大脑状态。未来的研究有必要解决这些问题，根据最小肺泡浓度对麻醉深度水平进行系统研究可能是朝着有意义的实验设置和实验研究交叉比较迈出的第一大步

不同麻醉方案对神经血管耦合的影响也是可能影响rsfMRI检测的一个实验因素。许多研究者采用体感刺激系统地研究了作为麻醉和麻醉水平函数的神经血管耦合。重要的是，所有研究的麻醉方案中均报告了完整神经血管耦合的可靠证据，在啮齿动物中形成了保留的前分布网络。虽然小鼠和大鼠之间的密切系统发育距离证明了这些发现的总体跨物种外推是合理的，尽管在小鼠中实施可靠的体感测量存在困难，但评估麻醉剂量对小鼠神经血管耦合影响的系统研究也有必要证实在大鼠中观察到的发现。

生理信号混淆与噪声回归

仔细控制非神经生理信号和运动的潜在伪贡献对于在啮齿动物中成功实施rsfMRI测量至关重要。例如，监测和控制动脉二氧化碳水平的程序对于预防高碳酸血症是必要的，高碳酸血症是一种与rsfMRI连接性稳健下降相关的特征。这是啮齿动物rsfMRI的一个关键问题，因为众所周知，在自由呼吸的啮齿动物中使用麻醉会导致轻度至重度高二氧化碳血症。控制动脉血气水平的一个可行选择是使用人工通气，这种手术还具有大大减少呼吸诱发的运动的优点，并且允许更紧密和更均匀地控制麻醉深度。然而，这种方法具有侵入性和技术挑战性，迄今为止，只有少数实验室采用这种方法。可以想象，在自由呼吸的动物中，与高碳酸血症相关的连接强度降低可以解释啮齿动物rsfMRI发现中的一些不一致之处。动脉血压测量也有助于确保动物处于正常生理状态，并可用作麻醉深度的回顾性指标。

例如运动或心脏和呼吸周期引起的信号等非神经信号波动也可能对rsfMRI网络构建的质量产生负面影响，从而导致可能掩盖功能特异性相关模式的伪相关。对这些噪声进行降噪的处理步骤包括：对与生理噪声相关的头部运动和时间进行去卷积，对源自心脏或白质区域提取的非神经信号进行回归，或者与图像数据采集同时直接测量的生理测量值进行回归。后一种方法也适用于大鼠rsfMRI数据处理，允许从图像时间序列中与rsfMRI数据共同采集的呼吸和心率信号进行去卷积处理。作为处理流程的一部分，在小鼠rsfMRI中也提出了在时间序列的ICA分解之后自动识别伪影，并进行回归去除，初步结果令人鼓舞。对特定非神经成分进行去卷积的一种常见替代方法是对全脑平均rsfMRI信号进行回归(全局信号回归)。虽然这种计算步骤有效地去除了潜在的全局混杂分量，但它也可能通过构建引入虚假的反关联，这种效应可能使rsfMRI连通性映射的神经生物学解释复杂化。

与静息态fMRI网络分析相关的另一个常见预处理步骤是带通滤波，这是一种用于消除基线漂移和高频噪声的方法。尽管人们可能预期功能连接所涉及的频率会随动物的大小(如心率和呼吸频率)而缩放，但迄今为止在大鼠和小鼠中进行的rsfMRI研究已证明，使用与人类研究中所用频率范围相似的频率范围(< 0.3 Hz)，在跨物种的固有fMRI连接性也存在令人信服的对应性，并且目前在啮齿动物rsfMRI领域中对于使用类似的带通滤波器存在较大的共识。然而，迄今为止，所有物种的rsfMRI采集通常限于约2±3s的TR时间，因此在频率分辨率上提供了约0.2 Hz的有效上限。功能连通性特征的时间频率依赖性中跨物种差异的存在和性质仍然是一个未解决的问题。最近在使TR更短的采集序列方面的进展可能会对这个问题有所帮助。

其他需要考虑的方法论信息

与所用成像设备相关的几个技术方面，包括使用从4.7 T到11.7 T的磁场强度、信号接收的不同技术解决方案以及不同序列参数(例如回波时间、重复时间)，可能会影响BOLD的灵敏度以及信号伪影的存在和性质。这些因素可能会影响影像网络的形状和分布，从而使站点和研究之间的实验结果比较复杂化。尽管已针对啮齿动物脑部MRI公布了初步尝试以消除其中一些方面的歧义，但关于不同研究小组采用的技术解决方案，文献中存在大量异质性，这突出表明需要开展对照研究，旨在系统研究单个成像参数对rsfMRI稳健性和可靠性的影响。高场MRI (9T)可实现的理论信噪比改善与场相关磁化率伪影/失真的相关增加之间的权衡是一个需要解决的公开争议，最近的一些研究结果表明，由于皮质区存在严重的磁化率伪影和信号丢失，超高场可能不最适合rsfMRI分析。这个问题在小鼠中尤其严重，它强调了在解释和推广在超高场获得的rsfMRI结果时需要谨慎，在小鼠中受易感性伪影影响的脑区比例相对较大。在这方面，在超高场实施多回波EPI方法似乎是一个有希望的发展领域，并在大鼠中取得了令人鼓舞的初步结果。

还需要进行额外研究，以客观评估统计图像采集参数对已确定的连通性网络的质量和重要性的影响。例如，尽管在通过ICA和种子点分析获得的小鼠和大鼠连接网络中显示了令人鼓舞的对应关系，但也注意到了通过这两种方法获得的结果的在空间分布上存在差异。基于种子的方法和ICA方法都已在人类中广泛用于定义自发大脑活动网络的特征，其结果有很大的重叠。这两种方法各有优缺点，对此已进行了批判性讨论。预设不同的独立成分数量会导致完全不同的网络配置，低维独立成分分析会导致网络合并，而高维独立成分分析可能会导致单个网络子组件的分离。尽管因初始ROI位置的选择而存在偏差，但使用基于种子的映射可以对基于数据驱动的ICA方法进行补充，并允许测试更多解剖特异性假说。在大鼠研究中，已使用基于种子的方法和使用可变数量的成分的ICA获得了类DMN网络的识别。类似地，在小鼠中，已使用基于种子的方法和低成分分数ICA鉴定了类DMN网络。对啮齿动物ICA分析所需的理想成分数量进行更严格的调查将是非常有益的，并需要系统地描述ICA分析结果作为ICA维度、预处理程序和输入rsfMRI时间序列的功能性信噪比的函数。更广泛地说，开发用于啮齿类动物大脑rsfMRI预处理和测绘及其传播的优化软件和图像分析工具，是实现跨实验室研究交叉比较的迫切需要。

人类神经病理转基因模型中的功能连接映射

转基因啮齿类动物的rsfMRI测量代表了一个强大的模型，可以理解在人类疾病中观察到的连接性改变的神经生物学基础。在转基因啮齿类动物中，先进的基因技术允许操纵基因组和精确控制基因表达。研究人员可轻易获得的各种小鼠遗传模型提供了一个现成的平台，通过提供临床研究中无法实施的受控实验条件，对病理性内表型的遗传、细胞和环境贡献进行系统研究。这种方法的新颖性以及与在小动物中实施该方法相关的剩余技术挑战，导致迄今为止在转基因模型中使用rsfMRI读数的研究数量有限。然而，最近公布了在转基因品系中应用rsfMRI的令人鼓舞的实例，并且，这些研究的数量预计在未来几年将显著增加。

最近的几个例子说明了这种方法的前景。首先，根据自闭症儿童树突棘增加的证据，在2014年詹等人研究了发育过程中树突棘的短暂增加是否会影响社会行为，并产生类似于在患者群体中观察到的长期低连接性缺陷。通过使用以出生后时期树突修剪不足为特征的转基因小鼠品系，作者能够证明发育过程中树突棘的短暂过量会导致成年小鼠出现强烈的社交障碍，这种影响与属于小鼠类DMN的额部海马区长程连接性降低有关。

重要的是，通过在行为自由的动物中使用电生理学 LFP 相干性测量，作者还能够证明观察到的连接障碍可以预测社会障碍，从而确定自闭症相关连接功能障碍、自闭症相关行为和神经发育突触动力学之间可能存在因果关系。在受控麻醉条件下用 rsfMRI 测量的一致低连通性的观察结果以及在自由行为动物中的电生理相干测量令人鼓舞，并表明在麻醉动物中检测到的 rsfMRI 改变可以转化为神经元连通性的相关行为改变。总的来说，这项研究的结果突出了 rsfMRI 在转基因啮齿类动物系中的潜力，以测试与神经精神疾病相关的连接缺陷的神经生理学意义的假设（图 6）。

Figure 6在转基因小鼠模型中可以检测到rsfMRI连接性的长程损伤，并且与神经行为和认知改变相关。在以神经发育期间突触修剪受损为特征的突变体小鼠(KO)观察到额叶-海马功能连接性(a，b，c)降低，这一特征与人类自闭症谱系障碍相关。重要的是，这种缺陷与行为小鼠的额叶-海马神经生理学(局部场电位LFP，d，e)信号之间的相干性降低有关，因此支持使用rsfMRI作为神经元连接性中行为相关改变的替代测量，并排除了控制性麻醉对这些测量的主要混杂效应。[PFC:前额叶皮质，HPC:海马]。类似地，无胼胝体BTBR小鼠作为一种特发性自闭症模型，显示出深刻的皮层下连接改变和额丘脑连接，从而证实了模仿自闭症成像内表型的标志性长程连接的存在。有趣的是，尽管大脑半球间缺乏胼胝体或海马通路，但在额叶皮质中发现大脑半球内的连通性受损，但在后部感觉皮质区域中却没有，因此突出了一种代偿机制的存在，即使结构连通性发生了显著变化，也可以保持大脑的完整连接拓扑结构，这一发现与人类胼胝体缺失人群的神经影像学研究一致。最近，还证实了内源性d-氨基酸D-天冬氨酸水平升高的转基因小鼠的额海马连通性增强，这种连接特征与这种氨基酸在精神分裂症相关症状中可能起的保护作用相一致。

最近还发表了利用rsfMRI探索大脑神经退行性病变小鼠模型构建有效性的显著实例。Zerbi等人证明，胆固醇转运体载脂蛋白ε (ApoE)突变小鼠重现了在患者群体中观察到的功能性连接缺陷，并且能够将这些变化与年龄和灌注相关的突触后密度水平联系起来。从方法学的角度来看，值得注意的是，尽管使用了猝发抑制麻醉水平，但泽比等人观察到的缺陷也很突出，这再次表明自发振荡同步性的组间改变在麻醉条件下可以持续存在。

通过使用跨分段设计，Grandjean 等人表明脑淀粉样变性的转基因小鼠模型在斑块前期（preplaque stage）表现出 rsfMRI 网络的发育受损，这种效应伴随着白质结构的损伤。这项研究扩展并补充了另一种淀粉样蛋白沉积模型中早期的初步 rsfMRI 发现。

总的来说，这些初步研究表明，神经退行性疾病小鼠模型再现了在人类群体中观察到的连接改变，支持了使用rsfMRI方法来研究这些改变背后的神经病理机制。

未来的研究前景：

将用于审视啮齿动物大脑功能连接的稳健方法与现有的丰富的转基因模型组合起来，为推进我们对脑科学和疾病状态的理解提供了一个强有力的工具。转基因技术在两个方面具有重要意义：一是通过光基因工具，可以对特定的脑回路或神经元群体进行审视和空间解析;其次，作为内表型的转基因模型本身可以用于研究遗传变异对大脑功能的系统水平影响。此外，这两种方法可以与行为、药理学和其他神经生物学分析相结合，提供从基因到大脑回路到行为的丰富联系。

光遗传学是利用光激活的跨膜电导调节剂靶向特定细胞类型，已迅速发展为研究人员提供了各种工具和模型，以探索自由行为啮齿动物中特定神经元群体的神经行为贡献。光遗传控制可与功能磁共振成像(fMRI)相结合，绘制由遗传同一性、细胞体定位和轴突投射定义的特定回路元件触发的神经活动图，从而有可能推导出不同神经组件之间的因果关系。最近在大鼠和小鼠中描述了使用这种方法的初步实例。

此外，在啮齿动物中使用光遗传刺激可用于引入致病激活和失活操作，以测试关于连通性的假设，这种方法在概念上比被动观察静息脑网络的动态行为更为有力。从这种方法中得出的因果关系最终可用于消除直接与间接功能连接的歧义，并为小鼠大脑创建定向功能连接图。我们预计这些研究将对血流动力学反应作为功能连接性指标的机制提供重要见解，对解释人类功能性MRI数据具有重要意义

未来几年，fMRI连接性测量的第二个主要应用领域是探索连接体作为人类疾病转基因模型中潜在的翻译内表型，以及更精确地了解连接体在何处匹配以及在何处存在差异。上述应用该方法的初步实例令人鼓舞，充分证明了该方法在检测目前临床方法无法解决的机制或病因病理学贡献方面的巨大潜力。对于旨在研究遗传改变对以异常结构或功能连接为特征的多基因和多因素发育或神经退行性神经精神综合征(如阿尔茨海默病、自闭症谱系障碍和精神分裂症)的贡献的研究模型而言，这项活动至关重要。

最后，从测量科学的角度来看，重要的是该领域对所使用的结果测量的可变性有一个正确的理解，因此如何适当地设计和实施实验来有力地回答这些生物学问题。在功能连接性分析中，由于使用了许多不同的后处理方法(包括如何去除混杂信号)和连接性度量，这些方面变得复杂。另外，成像空间的高维度和在同一分析中多个种子的使用都需要对多个比较进行校正。此外，旨在促进一致的大鼠和小鼠大脑标准空间和模板倡议是非常必要的，以确保跨实验室的一致性，并促进这些发现的转化利用。最后，无论给定数据集或研究的统计处理有多严格，独立复制仍然是确认发现是真实生物现象的最佳方式。在这方面，跨实验室一致的大规模网络绘图的新证据非常有希望，并为啮齿动物的rsfMRI连接性绘图塑造了光明的未来，作为一种重要的手段来弥合健康和病理学中细胞/微尺度神经现象和大规模神经动力学之间的解释差距。

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