超快速复数值4D fMRI揭示睡眠诱导的脑呼吸脉动在幅值与相位信号中的动态变化

本研究通过超快速磁共振脑电图(MREG)技术，以10 Hz采样率捕获睡眠-觉醒周期中的复数值4D fMRI数据，首次同步分析相位与幅值信号。研究发现睡眠期间呼吸脉动在默认模式网络(DMN)、脑室及脑脊液(CSF)富集区的相位信号显著增强，揭示了呼吸驱动脑脊液动力学与睡眠期脑代谢废物清除的潜在关联，为理解阿尔茨海默病(AD)等神经退行性疾病的病理机制提供了新视角。

　　

睡眠是大脑清除代谢废物的关键窗口期，但生理性脉动的具体机制仍不明确。传统功能磁共振成像(fMRI)主要依赖幅值信号分析血氧水平依赖(BOLD)效应，而相位信号对脑脊液(CSF)流动和磁敏感变化的独特敏感性长期被忽视。芬兰奥卢大学的研究团队创新性地采用超快速磁共振脑电图(MREG)技术，以10 Hz采样率获取全脑复数值4D数据，首次实现睡眠-觉醒周期中相位与幅值信号的同步动态监测。

研究通过菠萝流体模型验证相位信号对脉动水流的高敏感性，随后对12名健康受试者进行睡眠剥夺实验，结合高密度脑电图(EEG)睡眠分期。采用改进的低频波动幅度(AF)分析方法，分离出极低频(VLF)、心搏和呼吸三个生理频段的信号特征。结果显示：睡眠期呼吸脉动的相位信号在第三脑室、小脑和默认模式网络(DMN)区域显著增强，而幅值信号变化更广泛分布于大脑皮层；相位信号特别敏感地捕捉到脑室周围和蛛网膜下腔的流体动力学改变，这为理解睡眠期脑脊液-间质液(CSF-ISF)交换的驱动机制提供了直接证据。论文发表于《NeuroImage》，为开发神经退行性疾病的新型影像标记物奠定了方法学基础。

关键技术包括：1) 10 Hz采样的3D螺旋堆叠MREG序列，实现100 ms全脑覆盖；2) 动态离共振校正(DORK)技术消除B₀
场波动；3) 改进的低频波动幅度(AF)分析，分离VLF(0.01-0.1 Hz)、呼吸(个体峰值±0.05 Hz)和心搏频段；4) 256通道EEG同步监测确保睡眠分期准确性；5) 菠萝流体模型验证相位信号与流速的线性关系。

研究结果部分：

1. 验证流体敏感性的菠萝模型实验
   相位信号在7-21 cm/s脉动水流中呈现梯度响应，而幅值信号在高速流时出现平台效应，证实相位对CSF微小流动更敏感。

2. 相位与幅值信号的空间分布差异
   清醒状态下，相位AF在脑干和小脑等CSF富集区更强，幅值AF则主导于大脑皮层，反映相位对流体动力学、幅值对BOLD效应的差异化敏感性。

3. NREM睡眠期的呼吸脉动变化
   呼吸相位信号在睡眠期于前扣带回(属DMN)、脑室系统和蛛网膜下池显著增强，而幅值变化更广泛；心搏和VLF相位信号未显示显著差异，但第三脑室区VLF相位有升高趋势。

讨论指出：相位信号特异地捕获了睡眠期呼吸驱动的CSF脉动增强，尤其在阿尔茨海默病(AD)易累及的DMN区域，这为"呼吸-脑脊液动力学-β淀粉样蛋白清除"的病理假说提供了影像学支持。研究创新性地将MREG时空分辨率优势与复数值分析结合，未来可应用于脑积水、创伤性脑损伤等流体动力学异常疾病的机制研究。局限性包括样本量较小和睡眠剥夺可能引起的非生理性影响，后续需开展自然睡眠状态下的纵向研究。