心理所發布國際首個腦–脊髓同步fMRI開放數據庫 CoSpine

人體的疼痛感知、運動控制與情緒調節等高級功能，均依賴于大腦與脊髓之間的精密協同。大腦是決策與指揮的核心中樞，脊髓則承擔信號傳導與反射調控的關鍵任務。兩者的高效互動，確保了身體與意識的統一運作。

然而，受限于傳統磁共振成像技術的硬件范圍與信噪比，大多數研究只能聚焦于大腦或脊髓的局部活動。如何在一次成像中便捷地同步捕捉大腦與脊髓的神經信號，繼而從整體上刻畫中樞神經系統的動態協作，一直是國際神經影像學領域的技術瓶頸與長期挑戰。

近期，中國科學院心理研究所孔亞卓研究組創新性地優化了同步腦–脊髓功能磁共振成像方案（Simultaneous Cortico-Spinal fMRI），并建立了配套的腦–脊髓聯合分析與質量控制流程。該成果被命名為 CoSpine，日前以開放數據庫的形式在Scientific Data正式發表，標志著我國在人體非侵入性中樞神經整體成像領域取得了重要突破。

CoSpine成像方案基于西門子 3T Prisma 磁共振系統，實現了覆蓋大腦、腦干、小腦及頸段脊髓的單視野同步采集（見圖1）。該方案融合多頻帶并行采集與并行重建算法，在保持1.5毫米高空間分辨率的同時，大幅提升了時間采樣效率與圖像質量。這一成像策略使皮層—腦干—脊髓神經信號得以在一次掃描中連續獲取，為系統性研究腦–脊髓功能交互研究奠定了方法學基礎。

圖1. CoSpine功能與結構成像的采集方案及示意圖

在成像方法之外，研究團隊還構建了基于本成像方案的數據預處理與統計分析框架，實現了從數據采集、預處理到標準化配準的系統化優化流程（見圖2）。該流程整合了FSL（FMRIB Software Library）與Spinal Cord Toolbox (SCT) 等國際主流軟件包，并針對脊髓解剖結構的特殊性進行了多項算法優化。結合呼吸與心跳信號的實時記錄，利用生理噪聲建模方法實現多層去噪，顯著提升了信號的穩定性。同時，針對腦干和脊髓易受磁場不均影響的問題，方案引入局部勻場優化與反向相位B?校正策略，有效減少了幾何形變和信號丟失。經預處理后的圖像信噪比顯著提升。

圖2. 結構和功能像的數據處理框架

CoSpine 數據庫包含兩個采集站點，共 61 名健康參與者的同步腦–脊髓原始影像、任務設計及生理記錄數據，涵蓋兩種經典任務范式，驗證了該成像方案與分析流程在不同功能系統中的穩定性。

疼痛任務（CoSpine-Pain dataset）：受試者右前臂接受接觸性熱刺激，結果顯示對側軀體感覺皮層、前扣帶皮層、島葉、小腦及脊髓背角等經典區域激活顯著，完整呈現了疼痛信號在中樞系統的傳入通路。

運動任務（CoSpine-Motor dataset）：受試者分別執行左手和右手抓握動作，對側運動皮層、前運動區、輔助運動區、小腦及脊髓腹角均顯著激活，反映了運動信號自上而下完整的傳導模式。

圖3. 經典接觸性熱痛和主動運動任務誘發腦-脊髓激活

CoSpine 數據庫已在OpenNeuro平臺正式上線（Pain: ds005883；Motor: ds005884），并在 GitHub（LINIP-share/CoSpine）同步開放分析代碼與說明文件。數據集遵循 BIDS標準，采用 CC0 協議公開。

研究獲得國家重點研發計劃（2022YFC3500603）、國家自然科學基金（82441056、82072010）及北京市自然科學基金（IS23108）等資助，相關技術已獲中國國家發明專利授權（專利號 ZL202210339500.2，授權公告號 CN114494502B）。

該研究第一作者為心理所博士生魏朝行（已畢業），孔亞卓研究員為通訊作者。首都醫科大學附屬北京天壇醫院劉亞歐教授、山東第一醫科大學附屬省立醫院郭凌飛教授、西安電子科技大學劉繼欣教授，以及心理所胡理研究員，博士生林校民、張鐳耀為該研究作出了重要貢獻。

論文信息：Wei, Z., Lin, X., Zhang, L., Guo, L., Liu, J., Hu, L., Liu, Y., & Kong, Y. (2025). CoSpine open access simultaneous cortico-spinal fMRI database of thermal pain and motor tasks. Scientific Data, 12(1), 1696. https://doi.org/10.1038/s41597-025-05982-x