Nat Neurosci重磅：40%的fMRI信号可能误读了大脑的真实代谢活动！

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基本信息

Title:BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex

发表时间：2025.12.16

发表期刊:Nature Neuroscience

影响因子：20.0

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研究背景

在过去的几十年里，功能性磁共振成像（fMRI）几乎成为了认知神经科学的代名词。

当我们看到大脑扫描图上某个区域亮起红色的光斑（正激活）时，我们习惯性地认为那里的神经元正在“努力工作”；而当区域呈现蓝色（负激活）时，我们往往将其解读为神经活动的抑制或“休息”。这种解读的基石是经典的 “神经血管耦合（Neurovascular Coupling）” 理论：神经元活动增加会引发局部脑血流（CBF）的过量供应，进而冲淡脱氧血红蛋白，导致 BOLD 信号上升。

然而，这种通过血流变化“间接”推测神经活动的方式，真的在全脑所有区域都适用吗？长期以来，关于“负BOLD信号”的生理意义一直存在巨大争议。特别是在默认网络（DMN）等脑区，任务态下常见的信号下降是否真的代表神经元停止了代谢活动？如果大脑存在不同的代谢供能模式，那么我们基于经典模型得出的无数脑科学结论，是否可能存在根本性的误读？

这项 2025年12月16日 发表于Nature Neuroscience的最新研究，利用先进的多参数定量成像技术，直接挑战了这一教科书式的假设。研究者们试图回答一个触及fMRI灵魂的问题：BOLD信号的降低，是否可能掩盖了实际增加的氧代谢需求？

研究核心总结

本研究通过结合多参数定量fMRI（mqBOLD）与动脉自旋标记（pCASL）技术，在同一扫描时段内同时测量了人脑的脑血流（CBF）、脑血容量（CBV）、氧摄取分数（OEF）以及最能直接反映神经能量消耗的指标：氧代谢率（CMRO2）。

Fig. 1 | Study design, quantitative fMRI and the hemodynamic response model of BOLD fMRI.

核心发现：BOLD信号与氧代谢的广泛“分离”

研究结果显示，在全脑范围内，约有 40% 呈现显著BOLD信号变化的体素，其氧代谢变化方向与BOLD信号完全相反。这种“不一致（Discordant）”现象在负BOLD信号区域尤为惊人：在执行计算任务时，默认网络（DMN）等区域虽然表现出显著的负BOLD信号（通常被解读为去激活），但其氧代谢率（CMRO2）实际上却显著增加了。

这表明，负BOLD信号并不一定代表神经活动的减少或抑制，在许多情况下，它反而对应着旺盛的神经代谢活动。

Fig. 2 | Negative ∆BOLD does not indicate reduced oxygen metabolism.

机制解释：大脑的两种血流动力学调节模式

研究进一步揭示了导致这种分离的生理机制，提出大脑皮层存在两种截然不同的代谢调节模式：

1. 血流主导模式（Concordant/Canonical Mode）： 这是我们熟悉的经典模式。神经活动增加引发脑血流（CBF）大幅涌入（过量供应），其幅度远超氧代谢的需求。这种“供大于求”导致局部脱氧血红蛋白浓度降低，从而产生正BOLD信号。

2. 氧摄取主导模式（Discordant Mode）：在这一模式下（常见于出现负BOLD的区域），神经代谢需求（CMRO2）虽然增加了，但脑血流（CBF）的增加幅度微乎其微，甚至不变。为了满足能量消耗，脑组织不得不从血液中提取更高比例的氧气，导致氧摄取分数（OEF）显著上升。这种“过度压榨”导致局部脱氧血红蛋白浓度升高，从而在fMRI上呈现出负BOLD信号。

Fig. 3 | Dependence of BOLD signal responses on changes in CBF and CMRO2.

回归分析显示，体素的基础生理状态决定了它采用哪种模式：那些基础OEF较低（即拥有更大氧气缓冲储备）的区域，更倾向于采用“氧摄取主导模式”，从而产生与其代谢活动反向的BOLD信号。

Fig. 4 | Concordant or discordant BOLD signal responses depend on baseline OEF.

关键意义

这项研究对认知神经科学领域具有颠覆性的理论意义。它打破了“BOLD信号方向=神经活动方向”的简单映射关系，有力地证明了负BOLD信号可以反映高强度的神经代谢活动。这意味着，以往大量被解读为“脑区抑制”或“功能关闭”的研究结果可能需要重新审视。研究强调，若要准确解读人脑活动，不能仅依赖传统的BOLD信号，而应更多采用定量fMRI手段，关注区域特异性的血流动力学耦合机制。

Fig. 5 | Two types of hemodynamic responses via changes in CBF or OEF.

Abstract

Functional magnetic resonance imaging measures brain activity indirectly by monitoring changes in blood oxygenation levels, known as the blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) signal, rather than directly measuring neuronal activity. This approach crucially relies on neurovascular coupling, the mechanism that links neuronal activity to changes in cerebral blood flow. However, it remains unclear whether this relationship is consistent for both positive and negative BOLD responses across the human cortex. Here we found that about 40% of voxels with significant BOLD signal changes during various tasks showed reversed oxygen metabolism, particularly in the default mode network. These ‘discordant’ voxels differed in baseline oxygen extraction fraction and regulated oxygen demand via oxygen extraction fraction changes, whereas ‘concordant’ voxels depended mainly on cerebral blood flow changes. Our findings challenge the canonical interpretation of the BOLD signal, indicating that quantitative functional magnetic resonance imaging provides a more reliable assessment of both absolute and relative changes in neuronal activity.

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分享人：饭哥

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部