解析皮层回路中信息流的方向对于理解大脑动力学、学习和损伤后的神经可塑性至关重要。然而，目前的非侵入性方法无法在包括深部脑区在内的整个网络中区分自下而上和自上而下的信号。2026年5月4日，Champalimaud未知科学研究中心的研究团队在《自然-通讯》上发表了一项重要研究。他们提出了UltraFast Layer-Resolved Encoding (uFLARE)，该方法将超快速功能磁共振成像与基于层的结缔场模型相结合，以区分自下而上和自上而下的信号传导。研究发现，结缔场大小作为信息整合的指标，能够通过自发活动期间独特的层特异性连接模式来区分自下而上和自上而下的活动，这挑战了以往认为自下而上信号仅由刺激驱动的观点。
核心发现：uFLARE揭示皮层回路信息流方向
该研究的核心突破在于，首次实现了利用非侵入性功能磁共振成像技术，在自发活动状态下区分大脑皮层回路中自下而上和自上而下的信号传导。
1. uFLARE的技术原理
uFLARE结合了超快速功能磁共振成像和层特异性结缔场模型。该方法通过分析不同皮层层的自发活动时间序列，利用结缔场大小作为信息整合的度量，能够预测目标区域的活动，并推断信息的流动方向。研究表明，提高时间分辨率（重复时间（TR）=55毫秒）对于准确区分自下而上和自上而下的信号至关重要，因为更多的时间点能更好地采样底层神经活动并提高模型拟合的稳健性。
2. 皮层通路中的信号传导特征
研究发现，结缔场大小在不同皮层层之间表现出两种不同的连接模式：
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自下而上信号：遵循倒U形模式，主要在皮层IV层峰值显著。例如，外侧膝状体到初级视觉皮层（V1）的投射在IV层具有最大的结缔场大小，这与已知的丘脑输入靶向IV层的解剖学知识一致。
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自上而下信号：遵循U形模式，在皮层I层和VI层峰值显著。例如，在自发活动中，从高级视觉皮层（V2）到V1的反馈连接显示出这种U形模式。
这些模式在视觉通路（丘脑到V1，丘脑到高级视觉皮层）、体感通路（丘脑腹侧后外侧核到初级体感皮层）和运动通路（初级运动皮层到次级运动皮层）中均得到验证，表明这种层特异性信号传导特征具有普遍的适用性。
3. 皮层损伤后的网络重组
研究进一步将uFLARE应用于V1双侧损伤的皮质性盲动物模型，以探测损伤诱导的网络可塑性。结果显示：
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直接通路失效：外侧膝状体到V1的连接在损伤后信息预测能力降至接近零，结缔场大小的倒U形特征消失。
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代偿通路形成：外侧膝状体到高级视觉皮层的连接出现了新的倒U形模式，结缔场大小在IV层显著增加。这表明，在失去V1输入后，外侧膝状体神经元能够绕过V1，直接投射到高级视觉皮层，形成一条代偿通路。这一发现与非人灵长类和人类的盲视现象研究结果一致。
意义与展望
这项研究证明了uFLARE作为一种强大的非侵入性工具，能够在自发活动状态下解析皮层回路中的自下而上和自上而下信号传导。其临床应用潜力巨大，可探索精神分裂症、自闭症谱系障碍、抑郁症等神经精神疾病中自下而上/自上而下平衡的破坏，辅助诊断并指导靶向干预。此外，该方法还可用于监测中风或创伤性脑损伤后的神经可塑性，评估康复效果，并提升我们对注意、预测编码和上下文调制等高级认知功能神经机制的理解。未来工作可尝试在清醒动物中进行验证，并探索将该方法转化到高场强临床扫描仪以应用于人类研究的可能性。
参考文献
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Domingos, C., et al. (2026). UltraFast Layer-Resolved Encoding (uFLARE) functional MRI deciphers bidirectional signaling from spontaneous activity. Nature Communications, 17, 3823.