多区域功能性超声数据集：清醒小鼠对无害和有害机械刺激的脑反应

《Neuroscience Bulletin》：A Multiregional Functional Ultrasound Dataset of Brain Responses to Innocuous and Noxious Mechanical Stimulation in Awake Mice

　　

机械刺激是一种广泛使用的感觉范式，用于研究从无害触觉感知到伤害性处理在内的躯体感觉神经机制。研究这些刺激如何在分布式脑网络中表征，需要能够以高时空分辨率捕捉大规模神经动力学的成像方法。功能性超声成像（functional ultrasound imaging, fUS）最近成为一种强大的神经影像技术，能够高灵敏度地检测清醒动物多个脑区的脑血流动力学变化。在此，研究人员展示了一个多区域fUS成像数据集，该数据集描述了清醒小鼠对分级机械刺激的血流动力学反应。将无害触摸到有害强度水平（0.16–4.0 g；六个级别）的机械刺激施加于后爪，同时从三个冠状成像平面采集fUS记录，这些平面采样了八只小鼠的关键皮质、丘脑和中脑区域。该数据集包括原始超声记录、处理后的归一化血流动力学时间序列信号（ΔI/I₀，其中I表示功率多普勒强度，I₀表示基线信号）、感兴趣区域（region-of-interest, ROI）掩膜、ROI平均信号以及从多个刺激强度导出的功能连接矩阵。此外，在同一刺激范式下，从另一组八只小鼠的选定脑区获得了光纤光度记录，以提供神经元Ca²⁺活动的补充测量。该数据集为研究大规模感觉处理、神经血管耦合以及区域间耦合的刺激相关变化提供了独特的资源。它也可能促进疼痛神经科学、脑网络计算模型的开发与测试以及多模态神经影像分析方面的未来研究。完整数据集约占13 GB，可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.30552获取。

**论文解读文章**

**研究背景与意义**
机械刺激是研究躯体感觉（包括无害触觉感知和伤害性反应）的常用感觉范式。神经影像学研究已表明，触觉和疼痛相关的脑网络存在显著重叠，涉及感觉辨别和显著性处理的皮质和丘脑区域。发育和人类神经影像学研究提示，触觉和伤害性刺激在脑内产生部分不同的空间和时间反应模式。非人灵长类动物的相关发现进一步支持了躯体感觉区域内无害和有害表征的部分分离。然而，增加机械刺激强度如何调节大规模脑活动及区域间动力学的机制仍不清楚。解决这一问题需要能够以足够空间和时间分辨率监测分布式脑活动的成像方法。传统的神经影像方法在全局脑覆盖、时间精度和深部脑结构可及性之间存在权衡。功能性超声成像（fUS）最近成为一种强大的神经影像模态，能够在清醒动物中高灵敏度地检测脑血流动力学活动，具有高空间分辨率和亚秒级时间采样。为此，研究人员构建了一个多区域fUS数据集，旨在表征清醒小鼠对分级机械刺激（0.16–4.0 g）的脑反应，并整合了光纤光度记录以提供神经元参考。该数据集发表于《Neuroscience Bulletin》，为大型感觉处理、神经血管耦合和计算模型研究提供了宝贵资源。

**研究人员开展的研究与结论**
研究人员使用八只成年雄性C57BL/6J清醒小鼠，通过颅窗手术植入聚乙烯膜窗口，并在头部固定状态下进行fUS成像。机械刺激采用六根校准的von Frey纤毛（0.16 g、0.4 g、0.6 g、1.0 g、2.0 g、4.0 g），施加于右后爪足底，每根纤毛持续10秒，伪随机顺序呈现，每强度重复五次。fUS在三个冠状平面（Bregma ?0.71 mm、?1.55 mm、?3.07 mm）以3.57 Hz帧率采集，覆盖皮质（初级体感皮层后肢区S1HL、运动皮层M、前扣带皮层ACC）、丘脑（室旁丘脑PVT、腹后外侧核VPL、腹后内侧核VPM等）和中脑（导水管周围灰质PAG、前顶盖核APT、中脑网状结构MRN、黑质网状部SNr、腹侧被盖区VTA）区域。另有一组八只表达GCaMP6s的转基因小鼠，在相同刺激范式下，通过光纤光度法记录S1HL和APT的Ca²⁺活动。数据经预处理（奇异值分解去除组织杂波和噪声、基于互相关的刚体运动校正、基线校正为ΔI/I₀）后，计算ROI平均信号和Pearson相关功能连接矩阵。代表性分析显示，随着刺激强度增加，多个脑区的血流动力学反应（ΔI/I₀峰值）逐渐增强，呈现出强度依赖性调制。在皮质区域，对侧反应往往强于同侧，但差异未达到统计学显著性。丘脑区域中，PVT在特定刺激条件下表现出相对较大的反应幅度。中脑区域也观察到类似的强度依赖性反应。频域分析提示，机械刺激主要调制低频（0.01–0.1 Hz）脑血容量振荡。光纤光度记录的Ca²⁺信号与fUS血流动力学信号在群体水平上表现出一致的强度-反应关系，可用于神经血管耦合的探索性分析。该数据集提供了标准化的高分辨率资源，有助于研究感觉编码、大规模脑网络动力学及计算模型开发。

**关键技术方法**
该研究主要采用以下关键技术：①功能性超声成像（fUS）：通过15 MHz线性阵列换能器，在清醒小鼠颅窗上以平面波复合技术进行超快多普勒成像，帧率3.57 Hz，空间分辨率100 μm，采集三个冠状平面（Bregma ?0.71 mm、?1.55 mm、?3.07 mm）的脑血容量（cerebral blood volume, CBV）变化信号。②机械刺激范式：使用六根校准von Frey纤毛（0.16–4.0 g），手动施加于右后爪足底10秒，伪随机顺序，每强度重复五次，刺激间隔≥50秒。③颅窗手术：在成年雄性C57BL/6J小鼠（8–10周龄，22–28 g，n=8）上，进行大面积椭圆形开颅，覆盖50 μm厚聚乙烯膜，并用牙科水泥固定头板。④光纤光度记录：在另一组表达GCaMP6s的转基因小鼠（n=8）中，将光纤植入左侧S1HL（AP: ?0.71 mm, ML: 1.5 mm, DV: ?0.8 mm）和左侧APT（AP: ?3.07 mm, ML: 1.3 mm, DV: ?2.8 mm），以40 Hz采样率记录Ca²⁺荧光信号，并用405 nm等吸收通道校正运动伪迹和光漂白。⑤信号预处理：对原始fUS数据进行奇异值分解（SVD）时空杂波滤波（保留中间80%奇异值）、基于互相关的刚性运动校正，以及基线校正（ΔI/I₀，基线为刺激前200秒均值）。所有数据均经过严格质量控制，排除运动伪迹、刺激时间不准确或基线漂移超过5%的试次，保留约90%有效试次。

**研究结果**
**皮质区域对分级机械刺激的反应**
通过三个冠状平面之一（Bregma ?0.71 mm）的fUS成像，分析了对侧和同侧S1HL、M和ACC的ΔI/I₀时间过程。两因素重复测量方差分析显示，刺激强度主效应显著（P < 0.0001），而脑区主效应和交互作用不显著。在2 g刺激下，S1HL与ACC的峰值反应存在显著差异（P = 0.0422）。对侧与同侧比较显示，所有区域刺激强度主效应显著（P < 0.05），但无显著半球效应或交互作用。功率谱密度分析提示，反应能量集中在低频（0.01–0.1 Hz），且该频段功率在多个刺激强度下显著高于其他频段（S1HL中频段主效应P < 0.0001，刺激强度主效应P = 0.0006，交互作用P = 0.0001）。

**丘脑核团对分级机械刺激的反应**
在Bregma ?1.55 mm平面，分析了七个丘脑核团（PVT、MD、LP、VM、VPL、PO、VPM）的反应。两因素重复测量方差分析显示，刺激强度主效应显著（P = 0.0004），无显著半球效应或交互作用。PVT在0.4 g刺激下的ΔI/I₀峰值显著高于其他丘脑核团（P = 0.0374）。各核团对侧与同侧比较均显示刺激强度主效应显著（P < 0.05），但无半球效应或交互作用，也无显著事后差异。

**中脑区域对分级机械刺激的反应**
在Bregma ?3.07 mm平面，分析了PAG、APT、MRN、SNr、VTA的反应。两因素重复测量方差分析显示，各区域刺激强度主效应显著（PAG: P = 0.0099; APT: P = 0.0129; MRN: P = 0.0138; VTA: P = 0.0125），无显著半球效应或交互作用，也无显著事后差异。

**纤维光度记录与神经血管耦合**
在另一组小鼠中，通过光纤光度法记录了S1HL和APT的Ca²⁺信号（ΔF/F₀）。群体平均Ca²⁺信号与fUS血流动力学信号（ΔI/I₀）在强度-反应关系上表现出相似的趋势，且Ca²⁺信号峰值时间早于血流动力学信号，反映了神经血管耦合的时间偏移。

**功能连接模式**
通过Pearson相关矩阵构建了皮质、丘脑和中脑区域间的功能连接。在皮质区域，对侧-对侧和同侧-同侧连接强度高于对侧-同侧连接。在丘脑和中脑区域，各核团间的相关强度随刺激强度变化，但未观察到单调趋势。这些功能连接分析作为数据集应用的示例，旨在展示潜在分析方法而非得出确认性结论。

**讨论与结论**
该数据集通过标准化流程采集，提供了清醒小鼠对分级机械刺激的多区域血流动力学反应，并整合了神经元Ca²⁺活动参考。代表性分析结果（如强度依赖性反应、低频振荡调制、PVT的突出反应）与现有文献一致，验证了数据集的可靠性。然而，用户需注意以下局限性：fUS的时间分辨率（3.57 Hz）不足以解析快速神经动力学；深度依赖的信号衰减导致中脑区域信噪比较低；样本量（每组8只）和缺乏同时行为监测限制了网络级推断的稳健性；fUS和光纤光度数据来自不同动物队列，无法进行逐试次比较。因此，该数据集最适合探索性分析、方法学开发和假设生成，而非确认性电路级推断。尽管存在这些限制，该开放资源为清醒动物中躯体感觉处理、伤害性感觉、神经血管耦合和多模态神经影像的未来研究提供了宝贵基础。
**研究结论部分翻译**：尽管存在这些限制，这一开放资源为清醒动物中躯体感觉处理、伤害性感觉、神经血管耦合以及多模态神经影像的未来研究提供了宝贵基础。