超快层解析编码（uFLARE）功能性磁共振成像解读自发活动中的双向信号传导

偷听大脑的隐秘对话

即使我们静坐不动，大脑也在不断进行内部交流。这种持续的活动会影响我们的感知、情感与损伤后恢复，但要分辨哪些信号是从感觉输入“向上”传递，哪些是来自将期望与背景信息下发的高级脑区“向下”传递，研究者一直难以做到。此项研究引入了一种新的脑成像方法，首次能够非侵入性地区分这两种信息流向，为理解健康大脑的工作方式以及损伤后如何重组提供了新视角。

思维大脑中的两条通路

我们的感觉通过称为皮层的分层组织与大脑对话。从眼睛、耳朵或皮肤进入大脑的信号通常被称为自下而上：它们把外界的原始信息带入早期处理区，然后传到更复杂的枢纽。自上而下的信号方向相反：它们把来自高级区域的预测、注意力和先验知识反馈到早期区域，调整我们的感知。此前，科学家需要将电极等侵入性工具插入大脑，才能以细致的方式分辨这两种方向。传统的非侵入性扫描，如标准 fMRI，可以显示活动发生的位置，但无法在构成皮层的薄层堆栈内部判断信息的流向。

读取层次的新方法

作者开发了超快层解析编码（UltraFast Layer-Resolved Encoding，简称 uFLARE）方法，将极快的 fMRI 采集与关于一个脑区如何从另一区域汇聚信号的数学模型相结合。他们并不是只跟踪两个区域连通性强弱，而是用“基于层的连接场”模型估计皮层上每一点从伙伴区域汲取信息的范围，以及这种汇聚如何从表层到深层变化。由于解剖学上不同层在接收输入或反馈信号上有专门化，跨深度的汇聚模式可以揭示连接主要是自下而上还是自上而下。在大鼠的超高场 MRI 上，研究团队同时实现了跨层的精细空间分辨率与快速时间采样，使他们能捕捉到即便在没有任何外部刺激时也携带方向信息的微妙自发波动。

向上与向下信号的独特指纹

当研究者检查将深部结构送入视觉皮层的连接时，发现了显著的模式。将感觉输入传入“第一站”视觉区的连接在中间层表现出最大的汇聚，形成跨深度的倒 U 型剖面。相比之下，来自更高级视觉区的反馈连接偏好表层和深层，描绘出 U 型剖面。这些不同的形状不仅在视觉刺激期间出现，也在自发活动中可见，表明自下而上的通路即使在黑暗中也在活动，大脑的内部对话持续演练着输入与预测信号。触觉与运动区域也出现了类似的层特异性剖面，暗示这是感官与运动系统间的一条普遍组织规则。

观察电路在损伤后的适应

团队接着探究 uFLARE 是否能揭示大脑在损伤后如何重连。他们在初级视觉皮层制造了靶向病灶，模拟一种皮层性失明，并对受影响的动物进行了扫描。正如预期的，从眼睛中继站（外侧膝状体）到被破坏视觉区的正常输入几乎消失。但同一中继对更高级视觉区出现了新的倒 U 型剖面，表明信号正在绕过受损区域，直接到达下游区域。通常通过另一个丘脑枢纽中继的独立通路也改变了其层次模式，符合视觉电路更广范围重塑的情形。这些观察与此前的侵入性研究以及人类“盲视”现象相一致：初级视觉皮层受损的人仍能在未意识到的情况下对视觉线索作出反应。

这对大脑与健康意味着什么

证明快速、对层敏感的 fMRI 能仅从自发活动中区分自下而上与自上而下的流向，uFLARE 为在无需手术或植入装置的情况下绘制整个网络内部对话开辟了道路。未来，在高场临床扫描仪上采用类似策略，可能帮助医生探查感知、注意与预测在精神分裂症、自闭症、抑郁或中风后等病症中如何出现异常。能够非侵入性地追踪上行感觉证据与下行期望如何平衡——以及在电路适应过程中这一平衡如何变化——可为旨在恢复大脑健康通讯的新疗法提供指导。

引用: Carvalho, J., Fernandes, F.F., Valente, M. et al. UltraFast Layer-Resolved Encoding (uFLARE) functional MRI deciphers bidirectional signaling from spontaneous activity. Nat Commun 17, 3823 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71506-9

关键词: 自下而上与自上而下信号传导, 层特异性功能性磁共振成像, 自发脑活动, 皮层可塑性, 连接性建模