Nat Neurosci重磅：40%的fMRI信號可能誤讀了大腦的真實代謝活動！

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基本信息

Title:BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex

發表時間：2025.12.16

發表期刊:Nature Neuroscience

影響因子：20.0

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研究背景

在過去的幾十年里，功能性磁共振成像（fMRI）幾乎成為了認知神經科學的代名詞。

當我們看到大腦掃描圖上某個區域亮起紅色的光斑（正激活）時，我們習慣性地認為那里的神經元正在“努力工作”；而當區域呈現藍色（負激活）時，我們往往將其解讀為神經活動的抑制或“休息”。這種解讀的基石是經典的 “神經血管耦合（Neurovascular Coupling）” 理論：神經元活動增加會引發局部腦血流（CBF）的過量供應，進而沖淡脫氧血紅蛋白，導致 BOLD 信號上升。

然而，這種通過血流變化“間接”推測神經活動的方式，真的在全腦所有區域都適用嗎？長期以來，關于“負BOLD信號”的生理意義一直存在巨大爭議。特別是在默認網絡（DMN）等腦區，任務態下常見的信號下降是否真的代表神經元停止了代謝活動？如果大腦存在不同的代謝供能模式，那么我們基于經典模型得出的無數腦科學結論，是否可能存在根本性的誤讀？

這項 2025年12月16日 發表于Nature Neuroscience的最新研究，利用先進的多參數定量成像技術，直接挑戰了這一教科書式的假設。研究者們試圖回答一個觸及fMRI靈魂的問題：BOLD信號的降低，是否可能掩蓋了實際增加的氧代謝需求？

研究核心總結

本研究通過結合多參數定量fMRI（mqBOLD）與動脈自旋標記（pCASL）技術，在同一掃描時段內同時測量了人腦的腦血流（CBF）、腦血容量（CBV）、氧攝取分數（OEF）以及最能直接反映神經能量消耗的指標：氧代謝率（CMRO2）。

Fig. 1 | Study design, quantitative fMRI and the hemodynamic response model of BOLD fMRI.

核心發現：BOLD信號與氧代謝的廣泛“分離”

研究結果顯示，在全腦范圍內，約有 40% 呈現顯著BOLD信號變化的體素，其氧代謝變化方向與BOLD信號完全相反。這種“不一致（Discordant）”現象在負BOLD信號區域尤為驚人：在執行計算任務時，默認網絡（DMN）等區域雖然表現出顯著的負BOLD信號（通常被解讀為去激活），但其氧代謝率（CMRO2）實際上卻顯著增加了。

這表明，負BOLD信號并不一定代表神經活動的減少或抑制，在許多情況下，它反而對應著旺盛的神經代謝活動。

Fig. 2 | Negative ?BOLD does not indicate reduced oxygen metabolism.

機制解釋：大腦的兩種血流動力學調節模式

研究進一步揭示了導致這種分離的生理機制，提出大腦皮層存在兩種截然不同的代謝調節模式：

1. 血流主導模式（Concordant/Canonical Mode）： 這是我們熟悉的經典模式。神經活動增加引發腦血流（CBF）大幅涌入（過量供應），其幅度遠超氧代謝的需求。這種“供大于求”導致局部脫氧血紅蛋白濃度降低，從而產生正BOLD信號。

2. 氧攝取主導模式（Discordant Mode）：在這一模式下（常見于出現負BOLD的區域），神經代謝需求（CMRO2）雖然增加了，但腦血流（CBF）的增加幅度微乎其微，甚至不變。為了滿足能量消耗，腦組織不得不從血液中提取更高比例的氧氣，導致氧攝取分數（OEF）顯著上升。這種“過度壓榨”導致局部脫氧血紅蛋白濃度升高，從而在fMRI上呈現出負BOLD信號。

Fig. 3 | Dependence of BOLD signal responses on changes in CBF and CMRO2.

回歸分析顯示，體素的基礎生理狀態決定了它采用哪種模式：那些基礎OEF較低（即擁有更大氧氣緩沖儲備）的區域，更傾向于采用“氧攝取主導模式”，從而產生與其代謝活動反向的BOLD信號。

Fig. 4 | Concordant or discordant BOLD signal responses depend on baseline OEF.

關鍵意義

這項研究對認知神經科學領域具有顛覆性的理論意義。它打破了“BOLD信號方向=神經活動方向”的簡單映射關系，有力地證明了負BOLD信號可以反映高強度的神經代謝活動。這意味著，以往大量被解讀為“腦區抑制”或“功能關閉”的研究結果可能需要重新審視。研究強調，若要準確解讀人腦活動，不能僅依賴傳統的BOLD信號，而應更多采用定量fMRI手段，關注區域特異性的血流動力學耦合機制。

Fig. 5 | Two types of hemodynamic responses via changes in CBF or OEF.

Abstract

Functional magnetic resonance imaging measures brain activity indirectly by monitoring changes in blood oxygenation levels, known as the blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) signal, rather than directly measuring neuronal activity. This approach crucially relies on neurovascular coupling, the mechanism that links neuronal activity to changes in cerebral blood flow. However, it remains unclear whether this relationship is consistent for both positive and negative BOLD responses across the human cortex. Here we found that about 40% of voxels with significant BOLD signal changes during various tasks showed reversed oxygen metabolism, particularly in the default mode network. These ‘discordant’ voxels differed in baseline oxygen extraction fraction and regulated oxygen demand via oxygen extraction fraction changes, whereas ‘concordant’ voxels depended mainly on cerebral blood flow changes. Our findings challenge the canonical interpretation of the BOLD signal, indicating that quantitative functional magnetic resonance imaging provides a more reliable assessment of both absolute and relative changes in neuronal activity.

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分享人：飯哥

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部