腦網絡是當今腦科學研究的熱點和難點之一。感覺、知覺、運動以及決策等諸多大腦功能都依賴腦網絡實現。既往研究發現,當被試處于平躺且無任何外界刺激的狀態下,其大腦不同區域之間依然保持自發的同步激活,形成靜息態腦網絡。這種靜息態腦網絡能夠穩定相應功能態腦網絡的連接以確保功能維持,同時還涉及諸如意識、記憶鞏固和自我參照等重要的大腦功能。現有的靜息態腦網絡研究集中在人類、靈長動物和嚙齒動物上,對低等脊椎動物(如蛙類)進行相應研究對理解大腦功能、物種進化等具有重要的科學意義。
中國科學院成都生物研究所行為及其神經機理學科組的薛飛、方光戰等人以仙琴蛙(Babina daunchina)為對象,在其端腦和中腦左右兩側分別埋植電極,記錄在不同活躍階段下,個體處于靜息狀態時的腦電,通過格蘭杰因果關系分析方法對不同腦區間的連接進行了探究。我們預測:(1)仙琴蛙存在偏側性的靜息態腦網絡,并且與被動聽覺功能相關聯;(2)靜息態腦網絡存在性二型現象;(3)高活躍階段的靜息態腦網絡的連接強度會高于低活躍階段的連接強度。
結果顯示:(1)在靜息態下,仙琴蛙左側中腦上行至兩側端腦的連接均強于右側中腦的上行連接,而右側端腦的傳出連接顯著強于其他腦區的傳出連接。由于左側中腦主導聽覺感知,而右側端腦主管注意調節,因此這種不對稱性的腦網絡可能反映了結構非對稱性和注意調節共同作用的聽覺偏側性。(2)雌性個體左側中腦的傳出連接強于雄性個體。由于靜息態網絡連接強度與對應功能的工作效能成正相關,這一結果與雌性在繁殖期由于繁殖成本較高而須對外界刺激更為敏感的需求一致。(3)在不同活躍階段,仙琴蛙的靜息態腦網絡并沒有發生顯著變化,說明仙琴蛙無論在活躍期還是在相對靜止期,均對外界環境保持較高警覺,與其生存繁殖的需求相匹配。這些結果表明,仙琴蛙的靜息態腦網絡與其聽覺感知功能相關聯,并且具有性二型和不隨活躍狀態改變的穩定性。這些特征與仙琴蛙生存和繁殖的需求息息相關,且與哺乳動物類似,表明靜息態腦網絡是四足動物普遍存在的大腦特征之一。
相關研究結果發表在期刊Neuroscience上 (Xue et al., 2016 Neurosci 334: 332–340).