你是否曾以为，功能性磁共振成像（fMRI）上亮起的脑区就代表那里正在“努力工作”？数十年来，科学家依赖血氧水平依赖（BOLD）信号间接推断神经元活动，并将其视为大脑激活与否的标志。然而，一项最新研究揭示，这一经典解读可能在大脑多处区域“失灵”——BOLD信号的增减，有时竟与神经代谢的真实变化方向完全相反。

2025年，Nature Neuroscience（Q1/20.0)发表了一项题为“BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex”的研究。该研究通过结合传统BOLD fMRI与多参数定量fMRI技术，首次在全脑范围系统检验了BOLD信号变化与氧代谢变化的一致性。研究发现，在不同认知任务中，约有40%显示显著BOLD信号变化的体素，其氧代谢变化方向与BOLD信号相反。这些“不一致”体素主要依赖氧摄取分数的变化来调节氧需求，而非传统的脑血流变化。研究结果表明，经典的神经血管耦合模型并不适用于整个大脑皮层，仅依赖BOLD信号解读神经元活动可能导致显著误判。

研究团队设计了一项精巧的实验：40名健康参与者在同一扫描会话中完成计算任务（CALC）、自传体记忆任务（MEM）、低水平控制任务（CTRL）和静息状态（REST）。研究者同时采集了BOLD fMRI数据以及多参数定量fMRI数据（包括T2、T2*、脑血流量CBF和脑血容量CBV），从而能够直接计算反映神经元能量消耗的核心指标——脑氧代谢率（CMRO₂）。

图1 | 研究设计、定量fMRI以及BOLD fMRI的血流动力学响应模型

研究得出了几个突破性发现。第一，研究发现传统的负BOLD信号并不能直接等同于神经代谢活动的降低。在计算任务中，那些显示出负BOLD信号的脑区（如默认模式网络），其脑血流量和脑氧代谢率均未发生显著下降，这与经典理论中“负BOLD信号代表神经元活动抑制”的解读存在根本矛盾。第二，研究揭示了一种广泛存在的“不一致”响应现象。无论是正性还是负性BOLD信号，都有相当大比例的脑区（正BOLD中约31%，负BOLD中约66%）其氧代谢变化方向与BOLD信号相反。这些“不一致”体素广泛分布在整个大脑皮层，且没有表现出特定的空间分布或信号强度规律。第三，大脑存在着两种截然不同的血流动力学调节模式。研究人员识别出两类功能迥异的脑区：“一致”体素遵循经典神经血管耦合模型，主要通过大幅增加脑血流量来满足氧需求；而“不一致”体素则采用另一种策略，主要依靠提高氧摄取效率来调节代谢，其脑血流量的变化相对较小。这种差异的背后是二者不同的生理基础——“不一致”体素在静息状态下具有更充足的氧储备和血流缓冲能力。第四，研究明确了不同响应模式的生理基础源于静息状态下的脑区特性。表现出“不一致”响应的脑区在基线状态下具有显著较低的氧摄取分数和脑氧代谢率，同时拥有较高的脑血容量。这一独特的生理状态表明，该类脑区可能先天具备更充足的氧储备与血管缓冲能力，因此在应对任务需求时，其调节策略倾向于优先通过提高氧提取效率来实现代谢匹配，而非依赖大幅增加脑血流量这一经典路径。这种基线状态的差异，为理解大脑神经血管耦合的区域异质性提供了关键的生理学解释。

图2 | 负性ΔBOLD并不代表氧代谢降低

图3 | BOLD信号响应对CBF和CMRO₂变化的依赖性

本研究揭示，在人类大脑皮层中，BOLD信号变化与底层氧代谢活动之间存在着广泛且显著的不一致性。这一发现标志着对经典神经血管耦合理论的重要修正，并推动脑功能成像研究从对BOLD信号的定性解读，转向对脑血流、氧摄取及代谢的多参数定量整合分析。

展望未来，该研究将从三个层面深刻影响领域发展：在研究方法上，定量fMRI技术（如结合mqBOLD与pCASL）将成为揭示大脑真实能量动力学的关键工具，尤其在研究高阶认知或异质性脑区时不可或缺。在临床应用上，对于神经血管耦合已发生改变的群体（如脑小血管病患者、神经退行性疾病患者及老年人），定量生理指标的引入将为精准评估脑功能储备、早期诊断及疗效监测提供全新视角。在理论构建上，未来的模型必须纳入区域特异的基线代谢状态与血管调节策略，才能真实反映大脑应对任务时的异质性能量解决方案。

总之，这项工作开启了一个新阶段：解读脑活动不再能仅凭BOLD信号的“红与蓝”，而必须倾听其背后血流与代谢共同谱写的复杂生理叙事。这为最终构建一个更精细、更真实的全脑能量代谢动态模型奠定了坚实基础。

参考文献

Epp, S. M., Castrillón, G., Yuan, B., Andrews-Hanna, J., Preibisch, C., & Riedl, V. (2025). BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex. Nature neuroscience,10.1038/s41593-025-02132-9. Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41593-025-02132-9

资讯来源

https://neurosciencenews.com/fmri-neural-activity-30057/

编译：万家利

审核：柴逸凡