fUS（功能性超聲）技術是一種革新性的腦功能成像技術，能夠實現在自由活動動物上的腦功能成像，並且具有相比fMRI更好的時空解析度，今年以來利用fUS技術已有多篇高分論文發表，涉及行為學，藥理學等多個領域。這篇論文最近發表於Nature Communication，在自由活動的大鼠上研究了模式化跑步運動對大腦各個區域血液動力學的影響，文章結合了行為學，在體場電位記錄以及fUS技術，旨在揭示節律性運動中伴隨的神經振盪引起血液動力學變化的神經血管耦合機制。

我們都知道，大腦中存在節律性波動的電訊號，稱為神經振盪（neuronal oscillations）。神經振盪支援相距較遠的腦區之間的資訊交流，具有非常重要的生理功能。已經知道在動物運動的時候，大腦中也存在明顯的神經振盪，以6-10Hz的theta波為主，涉及的腦區有海馬，內嗅皮層，海馬下託，紋狀體，丘腦等。Theta振盪有很多重要的功能，比如感覺運動的整合，情景資訊的編碼，海馬皮層間的交流，位置細胞的編碼，以及睡眠階段的記憶固化。

通常，theta振盪當中會包含gamma振盪，在齧齒動物中，gamma振盪可分為低頻（30-50Hz），中頻（50-100Hz），高頻（100-150Hz）三種類型。形成這三種gamma振盪的腦區不同，它們參與的大腦功能也不同。值得注意的是，在動物運動時，伴隨著theta振盪，也存在全部的這三類gamma振盪，並在幅度，持續時間，發生腦區等方面與安靜或睡眠期的gamma振盪相區別。

動物運動時，大腦各區域的血液動力學會出現什麼樣的變化，這些變化與各類神經振盪之間有什麼樣的關係，對於這樣一個問題，傳統的神經成像方法要麼在探測深度及範圍上有較大限制，要麼因為檢測過程中對動物活動的限制而造成很大困難，如fMRI。最新的腦功能成像技術fUS正好成為回答這一問題的合適工具，它既能夠在自由活動的動物上進行記錄，同時具有非常好的穿透性，以及很高的時間，空間解析度。這篇文章正是結合了fUS和在體場電位記錄，揭示了動物運動過程中神經血管耦合機制以及大腦血液動力學方面複雜而多樣的變化。

圖1. 實驗設計圖示。大鼠頭部佩戴fUS探頭和EEG記錄電極，動物可在狹長走道自由移動，走道兩端有給水位點，當動物移動到一端會給出幾滴水作為獎勵，經過一段時間訓練，動物學會在走道兩端間來回運動。

1，運動引起全腦範圍血流訊號響應

運動過程中大鼠很多腦區的腦血容量（CBV）有顯著變化，海馬及丘腦的CBV增加，而初級運動皮質的CBV減弱。

圖2. a每一次trial過程中的不同腦區的fUS訊號，第一個紅點為運動開始，第二個紅點為運動結束。b運動過程中各腦區fUS訊號的平均值，兩根紅線間的為運動的時間段。

2，不同腦區在運動過程中的血液動力學響應存在先後次序

圖3. 對各腦區fUS訊號進行相關性分析，揭示出各腦區在運動過程中的血液動力學響應存在先後次序，最早出現於扣帶皮層和丘腦，後傳播到海馬DG區最後到海馬CA1/CA3區。

3，動物運動過程中各腦區的各種神經振盪與血液動力學響應之間存在複雜的相關性

圖4. 顯示各個腦區的theta振盪，低頻，中頻和高頻gamma振盪與區域性CBV變化之間的相關性分析結果。

4，重複的固定模式運動對大腦血液動力學響應的調節

運動引起的大腦血液動力學響應並非一成不變，儘管運動的模式是完全固定的，但是在重複多次後，運動所引起的血流變化出現顯著的改變。尤其值得注意的是，後半部分大腦海馬中的血流變化隨著跑步運動重複次數的增加而增強。

圖5. 各腦區運動過程中fUS訊號改變數隨著重複跑步次數的增加而改變。

本研究在自由活動動物上得到的結果顯示，在動物節律性運動過程中的血液動力學改變整體上具有高度的複雜性和異質性，並且，大腦各區域神經振盪所引起的神經血管耦合存在特殊的適應性變化，尤其出現於海馬結構中，對這一新發現的更深入研究可能為我們揭示神經血管耦合機制中的全新方面。