功能超聲成像（fUS）解碼非人靈長(zhǎng)類腦中的“運(yùn)動(dòng)傳感器”

圖2. 基于單試次的運(yùn)動(dòng)方向與類型解碼。

(A)LDA算法流程圖：fUS圖像經(jīng)預(yù)處理后采用k折交叉驗(yàn)證。(B-D)運(yùn)動(dòng)方向解碼結(jié)果：(B)時(shí)間解碼準(zhǔn)確率曲線（藍(lán)色線為真實(shí)數(shù)據(jù)，灰線為100次置換檢驗(yàn)均值）。(C)跨時(shí)間解碼矩陣。(D)訓(xùn)練試次數(shù)與準(zhǔn)確率關(guān)系（藍(lán)/紫線為兩只獼猴，紅線為眼動(dòng)數(shù)據(jù)解碼）。(E-G)運(yùn)動(dòng)類型解碼：(E)時(shí)間準(zhǔn)確率曲線，(F)跨時(shí)間解碼矩陣，(G)訓(xùn)練試次數(shù)與準(zhǔn)確率關(guān)系。

與GVS條件的對(duì)比研究
前人在無(wú)法進(jìn)行物理運(yùn)動(dòng)刺激的fMRI/PET/MEG研究中，常采用電流前庭刺激（GVS）作為替代方案。為對(duì)比兩種刺激模式的神經(jīng)響應(yīng)差異，研究人員在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)靜止?fàn)顟B(tài)下，通過(guò)GVS技術(shù)對(duì)獼猴進(jìn)行刺激：將電極非侵入式貼附于雙耳乳突，施加±2.5mA、2Hz的交流電，每次刺激6秒（間隔10秒），參數(shù)設(shè)計(jì)與物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)匹配。

fUS成像顯示，GVS可穩(wěn)定激活多個(gè)腦區(qū)（圖3B），其CBV變化模式與物理運(yùn)動(dòng)相似（圖3C-D）。激活區(qū)域包含經(jīng)典前庭區(qū)（2v、3a、MSTd等）及兩個(gè)新區(qū)域（5區(qū)、1-2區(qū)）（圖3E）。但定量分析發(fā)現(xiàn)：1）物理運(yùn)動(dòng)的CBV變化幅度顯著更大（圖3F，P<0.001）；2）不同腦區(qū)的Pearson相關(guān)系數(shù)存在差異（圖3G）；3）GVS的峰值響應(yīng)延遲更長(zhǎng)（7.25±0.37秒 vs 物理運(yùn)動(dòng)4.25±0.08秒，P<0.001）。

該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了fUS技術(shù)與傳統(tǒng)成像研究的一致性，但GVS未能激活物理運(yùn)動(dòng)特有的V3A、M1和7m區(qū)。差異可能源于：①GVS參數(shù)（電流強(qiáng)度/頻率/位置）影響激活效果；②GVS同時(shí)刺激全部前庭終末器官，而物理運(yùn)動(dòng)可選擇性激活特定器官（如水平耳石器）；③物理運(yùn)動(dòng)伴隨體感/運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償信號(hào)，形成多模態(tài)混合響應(yīng)。

這些發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了fUS技術(shù)相比傳統(tǒng)成像方法的敏感性（如檢出GVS相關(guān)研究中未報(bào)告的腦區(qū)），更揭示了自然運(yùn)動(dòng)條件下前庭系統(tǒng)神經(jīng)表征的獨(dú)特性，為臨床前庭功能障礙的精準(zhǔn)評(píng)估提供了新見(jiàn)解。
 

圖3. GVS實(shí)驗(yàn)。(A)實(shí)驗(yàn)裝置及刺激參數(shù)（±2.5mA，2Hz）。(B)GVS激活圖譜（FDR校正P<0.001）。(C)選定ROI的CBV響應(yīng)（灰色陰影為6秒刺激）。(D)試次平均CBV信號(hào)。(E)不同技術(shù)激活腦區(qū)對(duì)比。(F-G)物理運(yùn)動(dòng)與GVS的CBV變化(F)和相關(guān)系數(shù)(G)比較。

對(duì)物理運(yùn)動(dòng)和光流刺激均響應(yīng)的多感覺(jué)腦區(qū)
作為自運(yùn)動(dòng)感知的重要信息來(lái)源，光流（optic flow）與慣性運(yùn)動(dòng)共同調(diào)制多個(gè)腦區(qū)。為探究前庭相關(guān)區(qū)域是否同時(shí)響應(yīng)視覺(jué)運(yùn)動(dòng)，研究人員采用高斯速度輪廓的光流刺激（90°×90°顯示屏，圖4A），在獼猴固視狀態(tài)下記錄fUS信號(hào)。

研究發(fā)現(xiàn)：1）頂葉區(qū)（MSTd、VIP、LIP等）和經(jīng)典前庭區(qū)（3a、2v、PIVC）均對(duì)光流產(chǎn)生顯著響應(yīng)；2）首次在1-2區(qū)、M1、F2等動(dòng)作相關(guān)區(qū)域發(fā)現(xiàn)視覺(jué)運(yùn)動(dòng)激活（可能與視覺(jué)引導(dǎo)行為相關(guān)）。共鑒定出12個(gè)雙模態(tài)腦區(qū)（如V3A、7a、MIP等），其前庭刺激的CBV變化更強(qiáng)（P=0.0063，圖4B），而視覺(jué)刺激的信號(hào)相關(guān)性略高（P=0.053，圖4C）。

特別值得注意的是，同一腦區(qū)內(nèi)存在響應(yīng)異質(zhì)性。例如在5區(qū)（按Pandya分區(qū)），前庭信號(hào)廣泛分布于PE前部至PEa/PEip前段（AP0至+8），而視覺(jué)信號(hào)僅出現(xiàn)在PEa/PEip最前段（AP+8）（圖4D），提示功能亞區(qū)可能存在模態(tài)特異性處理。

這些發(fā)現(xiàn)不僅拓展了對(duì)多感官整合通路的認(rèn)識(shí)，更說(shuō)明fUS技術(shù)能有效捕捉不同模態(tài)神經(jīng)表征的精細(xì)差異，為研究感知-動(dòng)作協(xié)調(diào)的神經(jīng)機(jī)制開辟了新途徑。
 

圖4. 光流與物理運(yùn)動(dòng)共激活腦區(qū)。(A)視覺(jué)刺激裝置（90°×90°顯示屏）與高斯速度曲線。(B-C)前庭與視覺(jué)條件的CBV變化(B)和相關(guān)系數(shù)(C)對(duì)比。(D)典型腦區(qū)激活圖譜（上圖視覺(jué)，下圖前庭）。
 

研究總結(jié)
本研究首次利用功能超聲成像(fUS)技術(shù)，在自然運(yùn)動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)了獼猴全腦前庭信號(hào)的高分辨率(100μm/400ms)檢測(cè)。通過(guò)物理運(yùn)動(dòng)平臺(tái)精確刺激前庭器官，成功在單試次水平解碼運(yùn)動(dòng)方向(峰值78.5%)和類型(93%)，并發(fā)現(xiàn)12個(gè)新的多感覺(jué)整合腦區(qū)。

相比傳統(tǒng)GVS方法，fUS揭示了更完整的神經(jīng)表征圖譜，包括V3A、M1等新功能區(qū)。該技術(shù)突破fMRI的空間限制，為研究自然行為下的前庭-視覺(jué)整合機(jī)制提供了革命性工具，對(duì)腦機(jī)接口和眩暈癥診療具有重要價(jià)值。

參考文獻(xiàn)
Liu B, Luo Q, Liang Z, He H, Gu Y. Robust single-trial decoding of physical self-motion from hemodynamic signals in the brain measured by functional ultrasound imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Jul 22;122(29):e2414354122. doi:10.1073/pnas.2414354122. 

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