科学研究 | 罗艺课题组在Current Biology发表合作文章揭示情绪调节注意过程中人脑去甲肾上腺素亚秒级动态

去甲肾上腺素（Noradrenaline, NA）系统是大脑的一种主要神经调控系统，它起源于中脑的一个小核团——蓝斑核（Locus Coeruleus, LC），并广泛分布于整个大脑。LC-NA系统在调节觉醒和注意方面发挥着重要的作用，同时也是多种临床疾病的药物治疗靶点。然而，我们对其在健康和疾病中的功能理解一直受限，其中一个主要原因是缺乏在人脑中测量NA的手段。为解决这一问题，华东师范大学心理与认知科学学院罗艺研究员团队与丹麦奥胡斯大学Dan Bang教授、美国弗吉尼亚理工大学的P. Read Montague教授等共同合作，采用了用于癫痫监测的深部电极，结合深度神经网络算法，实现了对去甲肾上腺素的亚秒级估测。

药物难治性癫痫患者的一种治疗方式是癫痫病灶消融手术。为了帮助定位这些病灶，会在与每位患者的病情相关的大脑区域植入深度电极，然后在癫痫监测单元（EMU）中跟踪神经元活动。多年来，神经科学家一直利用这些电极进行颅内电生理学研究，本研究展示了通过与深度神经网络算法的结合，这些电极也可以用于颅内电化学研究。

▲ 图1. 电化学方法操作流程及估测结果

如图1A所示，神经外科医生将深度电极植入患者大脑中可能的癫痫病灶部位。患者在EMU的停留期间，完成一个情绪图片oddball任务，同时采用快速扫描循环伏安法采集程序记录电流，待癫痫监测完成后，神经外科医生取出这些电极。接着，研究者将这些电极放置在实验室的溶液中，基于有标记的去甲肾上腺素（NA）、多巴胺（DA）、5-羟色胺（5-HT）和pH浓度，采用深度神经网络方法训练一个信号预测模型。最后，将该信号预测模型应用于患者大脑的电流记录，由此获得脑内神经调质的估测值。本研究在三名患者中应用了这一方法，使用植入在杏仁核（图1B）的电极，证明了该方法可以准确检测NA，并不会将NA与DA或5-HT混淆（图1C）。

▲ 图2. oddball实验程序及行为数据结果

这三名患者完成了一项情绪图片oddball任务（图2A）。该任务以一张中性情绪图片作为标准刺激（在80%的试次中出现），以国际情感图片系统（International Affective Picture System，IAPS）中的部分图片作为出现概率较低（20%）的靶刺激（oddball），根据情绪的效价（正、负）和唤醒度（高、低），这些图片被分为四类并在四个blocks中呈现。在电化学记录的同时，研究者还记录了一项广泛使用的LC-NA活性指标——瞳孔扩张。此外，研究者邀请17名健康对照被试在实验室完成了相同的任务，并使用患者和对照数据之间的对应关系作为数据质量的指标。结果显示，两组被试的反应非常相似（图2B & 图2C）。

▲ 图3. oddball任务中NA活动的结果

在脑层面，图片诱发的NA活动受到图片情绪唤醒度的调节（图3A）。在高唤醒度block中，靶刺激诱发的NA反应比低唤醒度block中更强，而标准刺激诱发的NA反应则没有该差异（图3B）。

▲ 图4 瞳孔大小与NA活动之间的相关关系

研究者进一步考察了瞳孔大小与NA之间的相关性，发现平均瞳孔大小和NA时间序列正相关（图4左）。此外，瞳孔大小-NA的相关还取决于认知状态：低唤醒的oddball试次中，瞳孔大小和NA时间序列负相关（图4中），但在高唤醒的oddball试次中呈正相关（图4右）。

神经调控系统支持关键的生理、行为和认知过程，并与多种临床疾病有关。虽然在动物中已有高精度的神经调控研究方法，但我们仍需要适用于人类研究的方法，以加速研究成果的转化，推动我们对健康和疾病的理解。通过展示在标准临床环境中使用深部电极获取神经递质测量的可行性，本研究为探究人类健康和疾病的神经调控基础打开了大门。

该研究将于2023年10月23日在线发表于国际高水平期刊 Current Biology。丹麦奥胡斯大学Dan Bang教授、华东师范大学心理与认知科学学院罗艺研究员、弗吉尼亚理工大学Leonardo S. Barbosa博士、Seth R. Batten博士，以及美国莱斯大学Beniamino Hadj-Amar博士为共同一作，Dan Bang教授和弗吉尼亚理工大学P. Read Montague教授为共同通讯作者，维克森林大学Kenneth T. Kishida教授、弗吉尼亚理工Carilion医学院Mark R. Witcher教授等参与了该研究。

论文信息（共同第一作者 * ；共同通讯作者 #）

Dan Bang*#, Yi Luo*, Leonardo S. Barbosa*, Seth R. Batten*, Beniamino Hadj-Amar*, Thomas Twomey, Natalie Melville, Jason P. White, Alexis Torres, Xavier Celaya, Priya Ramaiah, Samuel M. McClure, Gene A. Brewer, Robert W. Bina, Terry Lohrenz, Brooks Casas, Pearl H. Chiu, Marina Vannucci, Kenneth T. Kishida, Mark R. Witcher, and P. Read Montague#, Noradrenaline tracks emotional modulation of attention in human amygdala, Current Biology (2023), 

doi：10.1016/j.cub.2023.09.074

图文｜罗   艺

编辑｜张鹏骞

初审｜郝   宁

终审｜方   媛