脑功能连接在缺氧临界氧阈值触发结构化重组：一项前瞻性fMRI研究

《Brain Research Bulletin》：Brain functional connectivity initiates structured reorganization at a critical oxygen threshold during hypoxia

本研究针对大脑在缺氧条件下如何动态适应这一关键问题，通过结合血氧水平依赖功能磁共振成像和先进生理监测技术，揭示了急性缺氧会引发以默认模式网络为中心的功能连接特异性重组。研究发现，这种功能连接变化由潮气末氧分压的临界阈值（约53 mmHg）触发，且先于外周血氧饱和度、整体BOLD信号及行为学表现的改变，表明大脑在面对氧气下降时采取了前瞻性的网络重组策略，而非被动反应。这为理解大脑在生理挑战下的适应机制及早期识别神经退行性疾病易感性提供了新视角。

　　

大脑，作为人体能量需求最高的器官之一，其功能高度依赖于持续充足的氧气供应。然而，在现实生活中，诸如高海拔环境、呼吸系统疾病或某些病理状态导致的缺氧（缺氧），会对大脑功能构成严重威胁。尽管大脑具备一定的代偿机制，例如通过增加脑血流来维持代谢稳态，但缺氧仍可能导致暂时甚至永久性的认知功能损害。长期以来，科学界普遍认为缺氧引发的脑功能改变是对低氧状态的被动、反应性结果。然而，大脑是否能够更早地、主动地“预判”并启动适应机制，以应对即将到来的氧气危机？这个问题一直悬而未决。传统观点将功能连接的变化视为生理或结构改变后的次级效应，但新的假说认为，大脑可能通过外周化学感受器（如颈动脉体）快速感知血氧变化，并主动调整大规模脑网络间的功能协作。为了验证这一前瞻性适应假说，并深入探索大脑在急性缺氧下的动态响应模式，一项发表在《Brain Research Bulletin》上的研究应运而生。

为了回答上述问题，研究人员设计了一项严谨的实验。他们招募了11名健康成年人，在一台高性能3T磁共振成像仪上进行扫描。实验过程中，参与者需要完成一项Go/No-Go认知任务，同时研究人员通过特定的呼吸回路向他们交替输送常氧（21% O₂）、轻度缺氧（11.8% O₂）和严重缺氧（7.7% O₂）的气体混合物。研究团队同步采集了血氧水平依赖功能磁共振成像数据，并持续监测多项生理指标，包括潮气末氧分压（PetO₂）、潮气末二氧化碳分压（PetCO₂）、外周血氧饱和度（SpO₂）等。在数据分析阶段，他们采用了因果滑动窗口法来计算动态功能连接，并运用主成分分析这种数据驱动的方法，从时间分辨的功能连接矩阵中提取缺氧响应的主导模式。脑区则根据Schaefer图谱被划分为400个 parcels，并归属于17个经典的内在脑网络（如默认模式网络、背侧注意网络等），以便进行网络水平的分析。

多领域效应

研究首先展示了急性严重缺氧对多领域指标的影响。如Fig. 1所示，在严重缺氧开始后，PetO₂在20秒内从96.3 mmHg急剧下降至53.7 mmHg，反应最为迅速。相比之下，PetCO₂缓慢线性下降，SpO₂下降更为平缓，而整体BOLD信号在缺氧开始约22秒后才出现延迟的指数式下降。在行为学方面，Go/No-Go任务中的执行错误率在缺氧开始约90秒后才开始增加。最为关键的是，全局平均动态功能连接强度在缺氧开始后不久即增加，且在缺氧刺激结束后约40秒才开始下降，其变化早于BOLD信号和行为学表现，且恢复最为缓慢。

缺氧响应的功能连接变化

为了分析急性严重缺氧引起的时间性功能连接变化，研究人员对时间分辨的功能连接矩阵进行了主成分分析。结果显示，第一主成分独自解释了总方差的38.9%，远高于其他成分，表明其捕获了缺氧驱动的主要功能连接重组模式。PC1的时间进程在严重缺氧开始后显著增加。研究人员将PC1系数绝对值排名前5%的功能连接边定义为缺氧响应功能连接，将后10%定义为稳定功能连接。如Fig. 2所示，缺氧响应功能连接并非均匀分布，而是呈现出明显的网络特异性。它们主要集中于默认模式网络A与其它高级认知网络（如控制网络A/B、背侧注意网络A/B、显著性/腹侧注意网络A/B）之间的连接。相反，稳定功能连接则多局限于边缘系统网络以及默认模式网络A等网络内部的连接。这表明缺氧引发了以默认模式网络A为中心的选择性功能整合，而非全局性的连接变化。

临界氧阈值

研究进一步发现，缺氧响应功能连接的变化是由一个临界氧阈值触发的。如Fig. 3所示，在严重缺氧条件下，当PetO₂下降至约53 mmHg时，缺氧响应功能连接开始急剧增加。在轻度缺氧条件下，尽管低氧气体持续供给，缺氧响应功能连接同样在PetO₂降至约53 mmHg时开始增加。两段斜率分析进一步证实了这一临界点的存在，在严重缺氧和轻度缺氧条件下，功能连接动力学的转折点分别对应于平均PetO₂为53.8 ± 1.2 mmHg和53.5 ± 3.1 mmHg。若将个体的PetO₂轨迹归一化到其基线水平，该阈值 consistently 出现在基线值的约50%。这些结果表明，缺氧响应功能连接在PetO₂降至约53–54 mmHg时表现出可重复的临界阈值。

行为与缺氧响应功能连接

研究人员还探讨了缺氧响应功能连接变化与行为表现的关系。如Fig. 5所示，在严重缺氧期间，功能连接强度的增加早于行为错误率的显著上升，两者之间存在约66秒的时间差。在个体差异层面，功能连接增加幅度较大的参与者，其行为错误率的增加趋势较小，尽管这一负相关关系未达到统计学显著性，但仍提示更强的网络重组可能具有一定的认知保护作用。

本研究通过高时空分辨率的动态功能连接分析，揭示了大脑在急性缺氧下的一种前瞻性、结构化的网络重组机制。这种重组并非被动反应，而是由PetO₂的临界阈值触发，并以默认模式网络为核心，选择性增强与高级认知控制网络的整合。其变化时序早于传统生理和行为指标，且恢复缓慢，表明其遵循独特的调控轨迹。这一发现挑战了功能连接变化仅是缺氧后果的传统观点，强调了大脑在面对代谢挑战时的主动适应策略。理解这种前瞻性适应机制，不仅深化了我们对大脑韧性的认识，也为早期识别神经系统疾病的脆弱性、以及评估生理或治疗干预的神经反应提供了新的潜在生物标志物和系统水平的见解。