近日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）梁智锋团队Nature Communications上发表了觉醒波动（arousal fluctuations）调控大脑功能网络动态整合的重要成果。该研究整合了人类与小鼠功能磁共振成像（fMRI）与多模态光电神经记录及操控技术，揭示了蓝斑核-去甲肾上腺素（LC-NE）系统介导的觉醒波动驱动了全脑功能连接呈现“倒U型”非线性动力学变化，为心理学中的耶克斯-多德森定律（Yerkes-Dodson Law）提供了功能网络层面的机制性解释。

你有没有过这样的经历？深夜神思倦怠时，大脑如同陷入混沌，思绪难以凝聚；午后精力充沛时，思维却异常清晰，效率倍增；但当你紧张过度、心跳加速时，反而会大脑一片空白，表现大打折扣。

这一广为人知的心理学现象，便是耶克斯-多德森定律（Yerkes–Dodson Law）。该定律指出，行为表现与觉醒水平之间呈现倒U型关系——适度兴奋时，表现最为出色。然而，这一典型行为模式所涉及的全脑功能网络基础及其内在的因果驱动机制，至今尚未得到明确的阐述。

本研究首次在跨物种（人类与小鼠）、跨状态（静息态与任务态）的框架下，系统性地证实了以下核心结论：

研究团队首先基于人类公开数据集，分析了参与者在执行视觉检测任务时的功能磁共振成像（fMRI）数据，并同步记录其瞳孔直径作为觉醒水平指标。结果显示，在任务状态下，随着觉醒水平的升高，行为表现水平和全脑功能连接的强度呈现出先增强后减弱的“倒U型”变化趋势，峰值出现在中等觉醒水平。同时，人中的静息态fMRI数据表明，受觉醒水平调节的“倒U型”功能连接动态性这一现象在静息状态下也同样存在。

为深入揭示这一现象背后的神经机制，研究团队在清醒小鼠fMRI实验中同步记录了蓝斑核去甲肾上腺素神经元（LC-NE）的钙信号、皮层胞外去甲肾上腺素浓度以及颅内脑电（iEEG）信号。结果表明，LC-NE神经元的自发活动与全脑功能连接强度之间存在着显著的非线性关联。具体表现为：随着LC-NE神经元活动增强及其下游去甲肾上腺素水平的上升，全脑功能连接强度呈现先增强后减弱的“倒U型”变化趋势。

为确立蓝斑核-去甲肾上腺素系统在该现象中的因果作用，研究团队采用了严谨的双向光遗传学干预策略。通过在LC-NE神经元中分别精确表达兴奋型视蛋白（SSFO）或抑制型视蛋白（stGtACR2），实现了对LC-NE神经元活动的增强或抑制的双向调控。使用该范式，研究结果表明，在清醒小鼠中LC-NE神经活动的增强或抑制带来了相应的觉醒水平的上升或下降，并均导致全脑功能连接强度减弱。以上结果说明了LC-NE系统在倒U型关系中的因果性贡献。

尤为关键的是，为探索其非线性特性的根源，研究人员采用了化学遗传学方法进一步验证。在清醒小鼠中，化学遗传学激活LC-NE神经元，可促使觉醒水平从中等升至高水平，并引发全脑功能连接的降低。在低浓度异氟烷浅麻醉小鼠中，化学遗传学激活LC-NE神经元，则促使觉醒水平从低升至中等水平，并伴随全脑功能连接的增强。这一发现清晰地表明，LC-NE系统对全脑功能连接变化的方向性并非固定不变，而是高度依赖于行为状态所处的初始觉醒水平。

这些发现共同构成了一个完整的因果链条：LC-NE神经元活动增加 → 皮层NE浓度升高 → 觉醒水平提升 → 全脑功能连接发生改变（其方向由基线觉醒水平在倒U型曲线上的初始相对位置决定）。综上所述，本研究不仅观察到了LC-NE系统活动与功能连接之间的相关性，更重要的是，通过双向、精准的神经调控，并结合多模态EEG-fMRI，在活体大脑中验证了“蓝斑核-去甲肾上腺素系统”的活动是塑造全脑功能连接与觉醒水平倒U型动力学的因果驱动因素。

中国科学院脑智卓越中心梁智锋研究员和童传俊博士为该论文的共同通讯作者，脑智卓越中心童传俊博士和研究生李葳帅、北京昌平国家实验室邹艺娟博士为该论文的共同第一作者。脑智卓越中心助理实验师夏盈、高级工程师裴孟超博士、工程师张凯威、工程师骆义超在研究中做出了重要贡献。该研究得到了中科院中国科学院脑智卓越中心脑影像中心、中国科学院中科院脑科学数据中心和实验鼠房的大力支持。该研究得到科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、上海市、中国博士后科学基金会的资助。