DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71506-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42082454
تاريخ النشر: 2026-05-04
المؤلف: Joana Carvalho وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الاتصال الوظيفي في الدماغ
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء جميع الإجراءات التجريبية وفقًا للإرشادات الأخلاقية كما هو موضح في التوجيه 2010/63 من البرلمان الأوروبي، مع الحصول على موافقة مسبقة من كل من هيئة رفاهية الحيوانات في تشامباليماود والسلطة الوطنية، المديرية العامة للتغذية والطب البيطري (DGAV). شملت الأبحاث مجموعتين رئيسيتين من التجارب تهدف إلى استكشاف الدوائر العصبية من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل: واحدة تركز على القشرة البصرية (VC) لكل من الفئران الصحية والفئران المصابة بأضرار قشرية، والأخرى على القشور الحسية والحركية للفئران الصحية.
بالنسبة لتجارب المسار البصري، تم استخدام ما مجموعه 19 من فئران لونغ إيفانز، حيث كانت 12 منها تعمل كضوابط و7 تعرضت لأضرار قشرية. تم إجراء التجارب على مدار جلستين، حيث كانت الجلسة الأولى مخصصة لرسم الخرائط الشبكية والجلسة الثانية لاكتساب الصور فائقة السرعة. في الجلسة الثانية، تم إجراء ثلاث مجموعات متميزة من التجارب فائقة السرعة لتقييم الاتصال داخل النظام البصري: مسحات حالة الراحة (RS) بدقة مكانية قياسية في الحيوانات الضابطة، ومسحات بدقة مكانية عالية (كل من RS والتحفيز البصري) في الحيوانات الضابطة، ومسحات RS قياسية في الفئران المصابة. تضمنت تجارب القشرة الحسية والحركية مسح ستة فئران إضافية من لونغ إيفانز.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج إطار عملهم uFLARE، الذي يميز بفعالية بين تدفق المعلومات من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل في الدماغ. في البداية، تم تطبيق الإطار على المسار البصري للفئران، حيث حدد بدقة إسقاطات المنطقة إلى الطبقة من المناطق ما قبل القشرية إلى القشرة البصرية الأولية (V1). كشفت هذه التحليلات عن الطبقات التي تستقبل إشارات من الأسفل إلى الأعلى من المناطق تحت القشرية، كما هو مفصل في قسم حقول الاتصال من المنطقة إلى الطبقة.
بعد ذلك، استكشف المؤلفون الاتصال بين الطبقات بين المناطق القشرية الأولية والعليا، كاشفين عن توقيعات متميزة لكل من إشارات من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل خلال النشاط التلقائي. تم تأكيد قابلية تعميم هذه النتائج عبر مناطق قشرية أخرى، بما في ذلك القشور الحسية والحركية. علاوة على ذلك، قامت الدراسة بتقييم تأثير حجم العينة على التمييز بين إشارات من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى، مما يبرز أهمية زيادة أحجام العينات لتحسين الدقة. أخيرًا، تم استخدام إطار عمل uFLARE للتحقيق في إعادة تنظيم الدوائر بعد الأضرار القشرية، مما يوضح إمكانيته في دراسة اللدونة العصبية.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون النتائج من دراستهم حول النظام البصري للجرذان، مع التركيز على مسارات الإشارات من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل من خلال المسارات الجينية وغير الجينية. استخدموا نموذج حقل الاتصال الخاص بالطبقة (lCF) لتحليل الاتصال الوظيفي (FC) خلال حالة الراحة (RS) باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، كاشفين عن ملفات تعريف اتصال متميزة عبر الطبقات القشرية. تشير النتائج إلى أن النواة الجانبية الصليبية (LGN) تسقط بشكل أساسي على الطبقة الرابعة من القشرة البصرية الأولية (V1)، مع عرض ملف حجم حقل CF على شكل حرف U مقلوب، بينما تستهدف النواة الجانبية الخلفية (LP) بشكل أساسي المناطق البصرية العليا (HVA) بنمط تكميلي. من الجدير بالذكر أن الدراسة وجدت أن ملفات حجم حقل CF تتأثر بالاتصال المعتمد على الطبقة بدلاً من تنظيم الزاوية القطبية، وأن الدقة الزمنية العالية تعزز بشكل كبير دقة تقديرات حقل CF.
استكشف المؤلفون أيضًا الاتصال بين الطبقات، موضحين أن V1 تسقط على الطبقات الوسطى من V2 مع ملف على شكل حرف U مقلوب خلال النشاط التلقائي، بينما تنشأ إشارات من الأعلى إلى الأسفل من V2 إلى V1 بشكل أساسي من الطبقات الأعمق. كما فحصوا تأثير الأضرار القشرية، كاشفين أنه بعد فقدان البصر القشري الناتج عن التحفيز، كانت إسقاطات LGN إلى V1 شبه غائبة، بينما ظهرت تغييرات تعويضية في اتصال LGN مع HVA. وهذا يشير إلى أن نموذج lCF يلتقط بفعالية ديناميكيات الاتصال القشري ويمكن أن يكشف عن اللدونة استجابةً للاضطرابات الشبكية. بشكل عام، تؤكد النتائج على فائدة uFLARE fMRI في توضيح التفاعلات الدقيقة بين العمليات من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل عبر الطبقات القشرية في أنظمة حسية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71506-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42082454
Publication Date: 2026-05-04
Author(s): Joana Carvalho et al.
Primary Topic: Functional Brain Connectivity Studies
Methods
In this study, all experimental procedures were conducted in compliance with ethical guidelines as outlined in Directive 2010/63 of the European Parliament, receiving prior approval from both the Champalimaud Animal Welfare Body and the national authority, Direcção Geral de Alimentação e Veterinária (DGAV). The research comprised two main experimental sets aimed at exploring bottom-up and top-down neural circuits: one focused on the visual cortex (VC) of both healthy and cortically lesioned Long Evans rats, and the other on the somatosensory and motor cortices of healthy rats.
For the visual pathway experiments, a total of 19 Long Evans rats were utilized, with 12 serving as controls and 7 subjected to cortical lesions. The experiments were conducted over two sessions, with the first session dedicated to retinotopic mapping and the second to ultrafast imaging acquisitions. In the second session, three distinct sets of ultrafast experiments were performed to assess connectivity within the visual system: standard spatial resolution resting state (RS) scans in control animals, high spatial resolution scans (both RS and visual stimulation) in control animals, and standard RS scans in lesioned rats. The somatosensory and motor cortex experiments involved scanning six additional Long Evans rats.
Results
In this section, the authors present the results of their uFLARE framework, which effectively differentiates between bottom-up and top-down information flow in the brain. Initially, the framework was applied to the rat visual pathway, where it accurately identified area-to-layer projections from precortical regions to the primary visual cortex (V1). This analysis revealed which layers of V1 receive bottom-up signals from subcortical areas, as detailed in the section on area-to-layer connective fields.
Subsequently, the authors explored layer-to-layer communication between primary and higher cortical areas, uncovering distinct signatures for both bottom-up and top-down signals during spontaneous activity. The generalizability of these findings was confirmed across other cortical areas, including the somatosensory and motor cortices. Furthermore, the study assessed the impact of sample size on the discrimination between top-down and bottom-up signals, highlighting the importance of increased sample sizes for improved accuracy. Lastly, the uFLARE framework was utilized to investigate circuit reorganization following cortical lesions, demonstrating its potential in studying neural plasticity.
Discussion
In this section, the authors discuss the findings from their study on the rodent visual system, focusing on the bottom-up and top-down signaling pathways through the geniculate and extrageniculate pathways. They utilized a layer-specific connective field (lCF) model to analyze functional connectivity (FC) during resting state (RS) fMRI, revealing distinct connectivity profiles across cortical layers. The results indicate that the lateral geniculate nucleus (LGN) primarily projects to layer IV of the primary visual cortex (V1), exhibiting an inverted U-shaped CF size profile, while the lateral posterior nucleus (LP) predominantly targets higher visual areas (HVA) with a complementary pattern. Notably, the study found that the CF size profiles are influenced by layer-dependent connectivity rather than polar angle organization, and high temporal resolution significantly enhances the accuracy of CF estimations.
The authors further explored layer-to-layer connectivity, demonstrating that V1 projects to the middle layers of V2 with an inverted U-shaped profile during spontaneous activity, while top-down signals from V2 to V1 predominantly originate from deeper layers. They also examined the impact of cortical lesions, revealing that following induced cortical blindness, the LGN’s projections to V1 were nearly absent, while compensatory changes in the LGN to HVA connection emerged. This suggests that the lCF model effectively captures the dynamics of cortical connectivity and can reveal plasticity in response to network perturbations. Overall, the findings underscore the utility of uFLARE fMRI in elucidating the nuanced interactions between bottom-up and top-down processes across cortical layers in various sensory systems.