《Human Brain Mapping》：Characterising the Diffusion Functional Signature of Negative BOLD With Interleaved TMS-fMRI in the Human Brain
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摘要翻译：
脑兴奋性活动与正性血氧水平依赖（blood oxygen level-dependent, BOLD）反应之间的耦合已被充分证实。尽管负性BOLD常与抑制性活动相关，但其机制仍未完全阐明。表观弥散系数（apparent diffusion coef
摘要翻译：
脑兴奋性活动与正性血氧水平依赖（blood oxygen level-dependent, BOLD）反应之间的耦合已被充分证实。尽管负性BOLD常与抑制性活动相关，但其机制仍未完全阐明。表观弥散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）-fMRI摆脱了神经血管耦合的局限，通过可能的瞬时细胞形变提供对兴奋性活动更直接的测量。弥散加权fMRI（diffusion-weighted fMRI, dfMRI）作为ADC-fMRI的基础，结合了血管和微结构贡献。虽然ADC的降低与正性BOLD一致，但负性BOLD是否可能转化为正性ADC以及ADC-fMRI能否捕获抑制性活动，在人类中尚未探索。本研究采用经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）-fMRI作用于右侧初级运动皮层（primary motor cortex, M1），以选择性诱导对侧负性BOLD反应，同时采集交互式fMRI。TMS以5 Hz、90%静息运动阈值施加，分别用于BOLD-fMRI和ADC-fMRI对比，受试者分别为n=12和n=11名健康参与者。研究人员复现了先前报道的对侧M1和初级体感皮层（primary somatosensory cortex, S1）中的负性BOLD簇。同时伴随负性dfMRI反应，但无ADC-fMRI反应，表明微结构波动极小。在同侧M1/S1中，未检测到BOLD反应，而dfMRI显示正性簇，提示对不同兴奋/抑制平衡的敏感性差异。总体而言，结合BOLD-fMRI和ADC-fMRI的发现为亚阈值TMS和负性BOLD下的血管及神经元反应提供了新见解。
论文解读：
**研究背景与问题**
脑功能成像技术中，血氧水平依赖（blood oxygen level-dependent, BOLD）-fMRI是最常用的手段，其通过神经血管耦合间接反映神经元活动。正性BOLD反应通常与兴奋性神经元活动相关，而负性BOLD反应虽常被归因于抑制性活动，但其确切机制仍存在争议。负性BOLD可能源于神经抑制、血管“窃流”现象、或局部高代谢需求等多种机制，神经血管耦合的复杂性使得BOLD信号无法直接区分神经兴奋与抑制。近年来，表观弥散系数（apparent diffusion coefficient, ADC）-fMRI作为一种新型功能成像对比，通过检测神经活动引发的瞬时细胞形态学变化（即神经形态耦合）来直接测量兴奋性活动，具有更高的时空特异性。ADC-fMRI基于弥散加权成像（diffusion-weighted fMRI, dfMRI），其信号同时包含血管和微结构贡献。已有研究表明兴奋性活动与ADC降低相关，但负性BOLD对应的ADC-fMRI特征在人类中尚未被表征。经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）结合fMRI可以主动调控脑活动并同时采集数据，是一种有效的“扰动-测量”方法。先前研究发现，对右侧M1施加亚阈值重复TMS（5 Hz）可诱导对侧M1的负性BOLD反应，这被认为反映了经胼胝体的半球间抑制。因此，本研究旨在利用交互式TMS-fMRI范式，探究负性BOLD对应的ADC-fMRI和dfMRI特征，以揭示其潜在的微结构和神经机制。
**研究内容与结论**
研究人员招募了12名健康青年受试者（其中11名完成ADC-fMRI），在3T MRI扫描仪中，将MR兼容TMS线圈置于右侧M1，以5 Hz、90%静息运动阈值（resting motor threshold, RMT）施加刺激，同时采集BOLD-fMRI和ADC-fMRI数据。TMS采用块设计，每块19.2秒刺激，穿插19.2秒基线和恢复期。ADC-fMRI采用球形b张量编码，交替采集b=200 s mm
-2和b=1000 s mm
-2的弥散加权图像，计算ADC时间序列；BOLD-fMRI采用多回波梯度回波序列。研究人员进行了预处理、生理信号校正、个体和组水平GLM分析，并在M1/S1和辅助运动区（supplementary motor area, SMA）区域进行ROI分析。
研究结果显示：BOLD-fMRI在对侧M1/S1及中线区域检测到负性簇，未在同侧M1/S1发现正性簇；b200-dfMRI和b1000-dfMRI在对侧M1/S1检测到负性簇，与BOLD负性簇空间重叠；b200-dfMRI在同侧M1/前运动皮层（premotor cortex, PMC）发现一个正性簇，而BOLD-fMRI未检测到该区域活动；ADC-fMRI在同侧M1/S1/上顶叶小叶（superior parietal lobule, SPL）发现一个小的正性簇，但无对侧负性簇。dfMRI和ADC-fMRI的时间曲线表现出锐利的起始和恢复，与BOLD的缓慢血流动力学响应不同。在显著体素分析中，BOLD-fMRI对侧M1/S1中负性体素比例显著高于正性体素，而dfMRI呈现同侧正性、对侧负性的趋势。这些结果表明，负性dfMRI簇与负性BOLD空间一致，提示共同机制，但ADC-fMRI未检测到对应负性变化，暗示负性BOLD可能不伴随显著的微结构形变。同侧正性b200-dfMRI簇可能反映了亚阈值TMS引发的微弱兴奋性活动，这些活动不足以产生可检测的BOLD反应，但弥散对比对其更敏感。ADC-fMRI的同侧正性簇可能对应抑制性活动相关的形态学变化，但尚需进一步验证。
**主要技术方法**
研究采用了交互式TMS-fMRI设置，将MR兼容TMS线圈与7通道表面线圈结合，置于右侧M1，同时采集BOLD-fMRI和ADC-fMRI数据。ADC-fMRI采用自定义的弥散加权自旋回波EPI序列，使用球形b张量编码（b=200和1000 s mm
-2），以获取各向同性的功能敏感性。BOLD-fMRI采用多回波梯度回波序列（4个回波时间）。受试者共12名，其中11名完成ADC-fMRI。TMS脉冲在MRI采集间隙施加，以避免图像伪影。数据处理包括NORDIC去噪、Gibbs去振铃、偏场校正、头动校正、畸变校正（Topup）和配准到标准空间，并进行生理信号（RETROICOR）回归和GLM分析（簇校正z>2.3, p<0.05）。
**研究结果详解**
3.1 ROI平均血流动力学和弥散反应：BOLD-fMRI在M1/S1区域呈现双相反应（初始小幅上升，随后下降至负值，任务结束后出现正性过冲）。b200和b1000-dfMRI在同侧呈正性反应，对侧基本平坦。ADC-fMRI双侧均平坦，但SMA呈正性关联。
3.2 组水平空间图：BOLD-fMRI在对侧M1/S1、中线区域和双侧额极、额上回检测到负性簇，同侧白质内检测到小正性簇。b200-dfMRI和b1000-dfMRI均在对侧M1/S1检测到负性簇；b200-dfMRI额外在同侧M1/中额回检测到正性簇。ADC-fMRI仅在同侧M1/S1/SPL检测到小正性簇，无负性簇。
3.3 显著体素中的平均血流动力学和弥散反应：正性BOLD呈典型延迟起始，负性BOLD延迟更长且有正性过冲。dfMRI和ADC-fMRI呈锐利起始和恢复。在M1/S1中，对侧负性BOLD体素比例显著高于正性；dfMRI显示同侧正性、对侧负性趋势。当忽略极性时，BOLD-fMRI对侧负性峰值略小于同侧，而dfMRI则显示同侧正性和对侧负性的清晰分离，ADC-fMRI对侧呈正性关联。
**讨论与结论**
本研究成功复现了先前报道的亚阈值TMS诱导的对侧负性BOLD反应，并首次报道了dfMRI和ADC-fMRI对TMS的响应。对侧负性dfMRI簇与BOLD负性簇空间重叠，提示共同机制，但ADC-fMRI未检测到对侧变化，表明负性BOLD可能不伴随显著的微结构改变，或ADC-fMRI灵敏度不足以捕获微小效应。同侧正性b200-dfMRI簇可能反映了亚阈值TMS引发的微弱兴奋性活动，而ADC-fMRI的同侧正性簇可能对应抑制性相关的形态学变化。dfMRI和ADC-fMRI的锐利时间特征提示其对比机制可能不完全是血流动力学性的，可能涉及弥散敏感的微结构变化。研究局限性包括样本量小、TMS定位精度、头动控制和部分脑覆盖等。总体而言，dfMRI和ADC-fMRI为区分亚阈值TMS复杂反应中的神经元和血管贡献提供了新途径，但负性BOLD、负性dfMRI和正性ADC的精确血管或微结构机制仍需进一步阐明。该研究发表在《Human Brain Mapping》期刊上，为理解负性BOLD的神经生理基础提供了新的视角。
