的电生理基础

对人类大脑结构和功能的非侵入性研究是现代医学尤其是神经精神领域的必要手段。现今，活体成像技术不仅为临床提供了重要信息，使新的治疗手段成为可能，还为脑功能研究提供了重要信息。功能成像将空间信息与神经系统的信息联系起来，在大脑感觉和认知方面提供了新的认识途径。功能成像技术建立在CBF、大脑能量需求和神经活动的相互关联之中。神经系统精密的调节机制（如保持离子梯度、合成、运输和重摄取神经递质等）能引起CBF、血氧水平的双重改变。

现在，随着MRI的推广，功能成像成为了支撑神经科学研究的重要分支之一。尽管目前尚不清楚功能成像能多大程度反映神经活动及其信号的空间、时间精确性，研究者通过电生理学方法将它与更直接的神经电活动做比较。神经活动的直接测量可采用头皮电位记录和微电极的空间定位记录，它们提供不同的信号来表征神经活动过程。在评价与功能成像相关的神经生理之前，有必要了解电生理方法记录信号的性质。

（一）复合神经信号

在系统水平的电生理研究能记录细胞外信号，由局部电位叠加形成。与直接评估单个神经细胞内膜电位不同，胞外信号可随着来源的增多而上升。神经元深嵌入胞外介质中，可视为容积导体，允许电信号以被动运输的形式穿过一定的空间距离。对于一个胞外记录点，离子通过被动运输到达神经活跃部位，表现出内向电流（inward current）的减弱。由于胞外介质的抵抗特性，这些电流产生的效应称作胞外场电位（extracellular field potential，EFP）。多个细胞在特定部位的电流减弱方向和来源部位的空间加权量，在神经元外用电极测得，代表了平均EFP。如果用微电极放置在离神经胞体或轴突旁，测得的EFP即为其峰值。EFP对神经生理学家是重要的指标，它们能提供脑功能的大量的信息。

微电极早期发展以来，测量相邻神经元的触发率成为探究神经活动的重要方法。尽管单个神经元的测量不能提供阈值下信息，但仍能从该方法得到一定的神经活动信息。对于体积较大的神经元，活跃区和非活跃区间距较大，会产生较强的膜电流和胞外峰值。由较大神经元产生的峰值将停留在噪声水平之上，随之产生的测量值代表了大细胞（如神经皮质的锥形细胞）的一部分。绝大多数的试验用单个单位胞外值记录了主要细胞的活动，代表的研究中皮质区的输出信息。

如果微电极的阻抗低，或者在单个神经元未能得到清晰的信号时，电极可用来测量该区域的整个动作电位。通常，MUA（multi-unit activity）的综合电信号频率范围为300～500Hz。该信号是随刺激性质而表现出区域特异性的。有研究表明MUA反应胞外触发电位的变化。根据具体的材料或组织，MUA包含了半径150～300μm的信号。通常，该区域会包含数以千计的神经细胞，表明MUA对众多细胞的同时触发特别敏感。

迅速而高频的场电位反映了相邻神经元的触发活动。EFP的低频部分所反应的活动，被称作局域场电势（local field potential，LFP）。LFP代表了绝大多数神经协调活动的低频事件。与MUA不同的是，LFP的升高与细胞的大小无关，而与局部突触的范围和几何形状相关。神经锥形细胞的主要排列阵型为它们顶端的树突并行，形成开放场阵列，树突朝向一边，胞体朝向另一边，由此产生强的树突-胞体偶极。空间的LFP总和反映了同步树突-胞体的突触信号。将胞内信号和场电位的记录结合起来也代表突触/树突的LFP来源，代表了局部的平均突触后电位，比触发活动慢得多。另外，LFP也包括其他与触发活动无关的慢事件。

总之，3种不同的信号能从胞外微电极中提取出来，每个部分覆盖不同频率的信号。代表快速事件的MUA反映了神经的平均触发活动。覆盖相同频段的单个单元的活动主要反映主要神经元在一定皮质区域的输出信号。代表慢事件的LFP反映了突触电位、后电位等给定皮质区域的活动。

（二）BOLD信号与神经的关系

BOLD fMRI获得的信号与大脑活动区域的神经活性究竟是怎样对应起来的，神经元的哪种信号与功能成像的信号最相关呢？为此，科学家们展开了很多研究。Rees等将人类fMRI测量方法与在动物猴的单个单元记录的电生理数据比较，在其运动特异区采集数据，比较两者信号的相关关系，均发现BOLD信号与平均触发率呈比例（大约每增加1%的BOLD信号有9次/s的触发活动发生）。Heeger等在视皮质刺激方面的研究证实了在触发活动和BOLD信号之间有线性关系。这些结果表明了在同一皮质区域BOLD信号和触发率之间有一定的相关性，它们之间的比例，取决于每个区域的具体特征。

另一个关于视皮质的研究将这个途径扩展到了刺激和生理学信号的领域。对猫的视觉系统进行研究，第一组动物探测其BOLD信号，第二组动物中记录MUA和场电位反应（field potential response）。研究表明BOLD信号能对不同刺激做出相关反应。与MUA相比，LFP与BOLD信号的相关性更强。在LFP和BOLD之间最好的匹配区域是在20～50Hz频率范围。