《Frontiers in Neuroscience》：Neurochemical-hemodynamic-electrophysiological coupling in the neonatal brain: a multimodal MRS-fMRI-EEG investigation
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在成熟大脑中，抑制性与兴奋性神经递质水平与高频率神经元振荡以及超慢血流动力学波动相关联，提示这些测量指标之间存在共享的兴奋-抑制（E/I）调控框架。然而，在早期发育阶段，这些关系可能存在差异，因为此时兴奋性和抑制性皮层系统均正在经历显著的功能性与结构性成熟。据
在成熟大脑中，抑制性与兴奋性神经递质水平与高频率神经元振荡以及超慢血流动力学波动相关联，提示这些测量指标之间存在共享的兴奋-抑制（E/I）调控框架。然而，在早期发育阶段，这些关系可能存在差异，因为此时兴奋性和抑制性皮层系统均正在经历显著的功能性与结构性成熟。据此，研究人员假设在健康足月新生儿中，神经化学、电生理学及血流动力学指标所反映的E/I信号传导的功能耦合与成人相比存在不同。研究人员对25名健康足月新生儿（研究时平均胎龄=40.1±1.4周）进行了多模态磁共振成像（MRI）及脑电图（EEG）静息态记录，以获取神经兴奋与抑制的替代指标。这些指标包括：额叶与枕叶MRS测得的γ-氨基丁酸（GABA+）和Glx（谷氨酸+谷氨酰胺）水平及其比值；EEG源重建功率谱中分解出的周期性β（13–30波澜不惊Hz）和γ（30–45 Hz）特征（中心频率和峰值振幅），相对于总频段功率和非周期指数；以及采用低频振幅（ALFF）指标量化的超慢fMRI BOLD波动（0.01–0.08 Hz）（包括平均ALFF和分数ALFF）。跨模态关系通过控制年龄的偏相关进行评估。结果显示：枕叶GABA+与β相对功率（r = ?0.64, p = 0.01）和分数ALFF（r = ?0.55, p = 0.048）呈负相关，而平均ALFF与γ中心频率呈负相关（r = ?0.99, p = 0.02）。这些关系在额叶皮层中未观察到。相反，额叶Glx与β峰值振幅呈正相关（r = 0.87, p < 0.01），与β（r = ?0.78, p = 0.02）和γ（r = ?0.79, p = 0.02）相对功率呈负相关，这可能反映了区域特异性成熟轨迹的存在。
研究背景与问题
在成熟成人大脑中，神经元活动通常通过神经化学、高频神经元振荡和血流动力学活动的神经影像替代指标进行评估。这些指标被认为主要由兴奋性和抑制性神经活动塑造，其关键驱动神经递质为谷氨酸（glutamate）和γ-氨基丁酸（GABA）。高频神经元振荡，尤其是通过脑电图（EEG）测量的β（13–30 Hz）和γ（>30 Hz）频段，与抑制性GABA能神经传递相关，因此常被视为抑制过程的电生理学标志物。跨物种研究支持这一关联：在啮齿类动物中，生长抑素阳性和小白蛋白阳性中间神经元的锋电位活动与皮层β和γ频段功率相关；在人类中，通过磁共振波谱（[1H] MRS）非侵入性测量的GABA水平与β和γ频段的振荡中心频率、峰值振幅和相对功率呈正相关，尽管效应量因区域和范式而异，并与自发的血氧水平依赖（BOLD）信号和低频振幅（ALFF）呈负相关。相比之下，MRS测量的谷氨酸水平与γ峰值振幅呈负相关。此外，GABA
A受体亚基的遗传变异和GABA能信号的药理学调控已被证明可调节β和γ振荡。这表明神经递质的可利用性和信号传导均可能影响神经元和血流动力学振荡活动，而这些活动本身也是相互关联的。
除窄带振荡外，EEG功率谱的非周期成分（1/f）已成为E/I平衡的补充指标。谱指数反映宽带神经元活动的相对贡献，较陡的斜率通常被解释为反映更大的抑制性张力，而较平坦的斜率与增加的皮层兴奋性相关。该指标的异常已在以假定E/I失衡为特征神经发育和精神疾病中被报道。综合而言，这提示了一个框架，即E/I平衡在多个尺度上塑造神经元活动，神经化学、电生理学和血流动力学指标反映共享的潜在E/I过程。然而，支撑这些指标的神经生物学过程在新生儿期经历剧烈的区域特异性发育，沿后-前梯度进行，这对神经化学-电生理学-血流动力学耦合的建立具有明确影响。理解这些关联在发育中何时出现，可为产后皮层功能的时空成熟提供关键见解，因为此关键期的破坏会改变皮层动态并增加不良神经发育结局的风险。此外，这一知识对于理解这些常用脑活动指标在早期神经发育中代表什么，以及它们是否捕捉与成熟大脑相同的过程至关重要。
研究人员假设在发育不成熟的足月新生儿大脑中，神经化学、电生理学和血流动力学测量指标之间尚未建立显著关联，并对此进行了检验。
样本来源
本研究最终纳入23名健康足月新生儿（胎龄36.90–41.89周，胎龄37.29–43.29周，7名女性），由伦敦圣托马斯医院产后病房招募。排除标准包括：出生窒息史、已知遗传或代谢紊乱、早产，或任何MRI扫描禁忌证。研究经英国国家健康服务研究伦理委员会批准（NHS REC: 19/LO/1384），并获得家长书面知情同意。
关键技术方法
研究人员采用多模态神经影像技术整合策略，主要包括以下关键技术方法：
在MRI采集方面，使用3T飞利浦Achieva系统配备专用新生儿成像系统，包括32通道新生儿头线圈。结构像采集高分辨率T1加权MP-RAGE序列（分辨率0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm）和高分辨率T2加权TSE序列（分辨率0.8×0.8×1.6 mm）。MRS采用_VENDOR原生MEGA-PRESS序列（回波时间TE 68 ms/重复时间TR 2000 ms/240次平均/2000 Hz带宽/2048个数据点/使用1.90 ppm编辑脉冲和7.50 ppm非编辑脉冲，配合CHESS水抑制），从27 mL枕叶（30×30×30 mm）和额叶（36×30×25 mm）体素采集。BOLD fMRI采集全脑静息态T2*加权单次激发梯度回波平面成像（GRE-EPI）序列（2 mm各向同性分辨率，TR/TE 2930/43 ms，时长6分51秒）。
在EEG采集方面，使用25或32通道Brain Products MR cap系统，采样频率5 kHz，在MRI扫描前后1小时内采集10–20分钟静息态数据。
数据分析涉及多个专业软件和处理流程：结构数据处理采用新生儿特异性发育中的人类连接组项目（dHCP）结构流程，包括组织分割和皮层表面生成，通过高级神经影像工具包（ANTs）进行迭代非线性配准创建群体特异性多模态结构模板；MRS数据使用Osprey 2.4.0进行自动化分析，包括涡流校正、频率相位校正、加权平均、傅里叶变换和Hankel奇异值分解残余水信号去除，采用TE特异性模拟基组集和灵活样条基线进行代谢物谱建模；fMRI数据预处理使用FSL的BET进行颅骨剥离、FreeSurfer的AFNI 3DVolreg进行运动校正、FSL的TOPUP进行EPI畸变校正，通过AFNI的3dRSFC工具计算0.01–0.08 Hz范围内的低频振幅（ALFF）指标，包括平均ALFF（mALFF）和分数ALFF（fALFF）；EEG预处理使用EEGLAB，包括滤波、伪迹剔除、独立成分分析（ICA）去噪、球面插值、降采样至500 Hz并重新参考至共同平均，采用Brainstorm进行基于边界元方法（BEM）的正向模型构建和最小范数估计（MNE）结合动态统计参数映射（dSPM）的源重建，最后使用FOOOF（现称SpecParam）算法将功率谱密度（PSD）分解为周期性和非周期性成分。
统计分析采用线性偏相关分析控制胎龄和产后日龄，探讨跨模态关系。
研究结果
结果部分按以下结构呈现：
**最终样本量**：由于婴儿扫描期间觉醒导致数据采集不完整，或头动导致单一模态数据被排除，不同模态的最终样本量存在差异。最终MRS数据21名参与者，fMRI数据17名参与者，EEG数据18名参与者。FOOOF模型在前额叶ROI中识别出γ范围峰值的比例为22%，枕叶ROI中为33%；β峰值在前额叶ROI中识别率为89%，枕叶ROI中为100%。
**人口统计学效应**：胎龄与EEG非周期指数、周期性成分和相对功率，或GABA+和Glx水平及其比值之间无显著相关。产后日龄与β中心频率（r=0.47, p=0.048）、GABA+水平（r=0.67, p=0.02）和Glx水平（r=0.76, p=0.007）呈显著正相关。年龄与mALFF呈显著负相关（胎龄，仅额叶ROI：r=?0.56, p=0.02；产后日龄，额叶ROI：r=?0.86, p<0.001；产后日龄，枕叶ROI：r=?0.74, p<0.001），而年龄与fALFF无显著关系。性别在任何指标中均无显著差异。
**跨模态分析**：
**枕叶GABA+与β相对功率负相关，而额叶Glx与β和γ相对功率负相关、与β峰值振幅正相关**：GABA+水平在枕叶ROI与β相对功率呈负相关（r=?0.64, p=0.01），但在额叶ROI与任何EEG指标均无关系。相反，Glx水平在额叶ROI与β峰值振幅呈正相关、与β和γ相对功率呈负相关（r=0.87, p<0.01；r=?0.78, p=0.02；r=?0.79, p=0.02），但在枕叶ROI与任何EEG指标均无关系。由于前额叶ROI中γ频段峰值数量不足，未对γ中心频率和峰值振幅进行相关检验。
**Glx/GABA+比值与EEG非周期指数无关联**：在额叶或枕叶ROI中，Glx/GABA+比值与EEG非周期指数之间均未发现关系。
**分数ALFF与GABA+水平负相关**：GABA+水平在枕叶ROI与fALFF呈负相关（r=?0.55, p=0.05），但与mALFF无关联。GABA+水平在额叶ROI与fALFF或mALFF均无关系。Glx水平在任何ROI中与fALFF或mALFF均无关系。
**平均ALFF与γ中心频率负相关**：mALFF在枕叶ROI与γ中心频率呈负相关（r=?0.99, p=0.02），但在额叶ROI与任何EEG指标均无关系。fALFF在额叶和枕叶ROI中与任何β或γ周期性或相对功率指标均无关系。
讨论总结
讨论部分的核心内容可概括如下：研究人员指出，快速神经元和慢速血流动力学振荡在成人中与兴奋性和抑制性过程相关，但支撑这些关联的神经生物学基础设施在产后期间经历剧烈发育。研究初步结果显示，枕叶皮层内高频EEG活动、低频BOLD波动和GABA+水平之间存在有限关联，这表明高频神经活动和慢速血流动力学波动可能已反映某些皮层抑制性神经化学水平的特性。然而，在新生儿期，这些测量指标之间的对应关系较为有限，这与持续的层级性皮层发育一致，导致这些测量指标之间复杂且异步的关系。
研究人员强调，未发现Glx/GABA+比值与非周期指数之间的关联，这与成人发现形成对比，可能反映了抑制性回路及其对皮层兴奋控制的不成熟性。GABA在产后早期可能发挥去极化效应，尤其是在成熟较晚的额叶区域，这意味着成熟的E/I平衡电生理学特征可能尚未适用。此外，GABA能中间神经元在第三 trimester 成熟，经历 prolonged 迁移和成熟过程，出生后才持续整合入皮层回路。
额叶Glx与β峰值振幅的正相关以及GABA+与枕叶指标的关联，提示β振荡活动在早期生活中可能与兴奋性神经传递关系更密切，而非成熟的E/I平衡机制。枕叶GABA+与fALFF的负相关则与成人发现一致，表明抑制性神经化学过程与脑血流动力学之间的某些机制可能已在足月时开始显现。
研究观察到的头-尾梯度与已建立的脑发育模型一致，即感觉区域比联合皮层成熟更早。枕叶皮层中GABA+相关关联的存在，而额叶皮层中则为Glx相关关联，支持初级感觉皮层比高级联合区域更早成熟和功能特化的层级模型。
研究人员也讨论了研究局限性：MRS测量为神经活动的间接估计，无法区分突触和神经元代谢过程；样本量有限；研究为探索性分析未进行多重比较校正；数据在静息态下采集，可能与任务依赖的耦合存在敏感性差异；警觉状态分布不均可能影响结果；以及需要进一步验证这些发现在早产儿中的适用性。
研究结论
尽管成人研究提示EEG、MRS和fMRI测量之间存在连贯的多尺度E/I系统，但本研究的初步数据表明，这一框架可能无法完全推广至新生儿大脑，这可能是由于持续的异步时空皮层发育所致。这项工作有助于增进对脑功能标志性指标如何随发育而演变的理解，并强调了多模态方法对于表征早期脑发育的重要性。需要进一步的工作来建模动态演化的皮层神经生物学对每个模态的影响，以全面表征新生儿期间各指标的相互依赖性。该论文发表于《Frontiers in Neuroscience》。
