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本文介绍了一系列电生理记录技术的异同、电生理连接性评估的方法,以及电生理数据中计算连接性的流程。
对大脑区域之间的电生理高级连接的测量必须提供①高保真度,即足够的信噪比(SNR),以精确表征来自不同大脑区域的信号之间的统计相关性;②足够的空间分辨率,以确保区域之间的连接性估计不会因区域之间的杂散信号交互而大幅降低。基于此,电生理测量可以分为两类:
非侵入性方法 包括脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)。前者在头皮表面测量由大脑中波动电流产生的电位差;后者测量同一电流波动所产生的相应磁感应。这两种方法都在相对较大的神经元群体中探测电生理活动。主要的神经生理发生器是主要来自皮层锥体细胞的突触后电位(局部场电位,LFPs)诱导的电流。头皮水平电场/电位的数学建模可以实现电生理信号的局部化,从而对低水平(局部)网络中的活动进行推断。
侵入性测量 通常统称为颅内脑电图(iEEG),范围从脑电图(ECoG)(电极阵列放置在脑表面硬脑膜下)到针对更深结构的深度电极。相对于一些参考,测量每个电极位置的局部电势,可以直接评估低电平电路中的局部电活动。参考位置一般决定了测量所依据的神经元群体的大小。测量通常反映皮层锥体细胞(类似于MEG/EEG)的LFPs,总计数千个神经元。然而,一些深度电极还可以测量动作电位,包括人类的行为。
目前还没有一种最好的技术来评估电生理连接性。事实上,技术的选择取决于科学问题。颅内脑电图通常具有最高的信噪比和较高的空间分辨率,但其脑容量的空间覆盖有限。iEEG具有很高的侵入性,因此仅限于自愿参与研究的患者的数据。植入蒙太奇的情况因每个患者的特殊性而不同,这使得研究和结果的复制具有很大的挑战性。此外,收集的数据可能会受到异常神经过程的影响,因为电极的位置是基于病理生理学考虑而决定的。排除靠近癫痫灶或癫痫样活动性较强的电极,以及从所有电极上去除有癫痫样活动性的时段,可以在一定程度上解决这一问题。
脑磁图和脑电图所测量的信号与iEEG相同,优点是可以无创地对病人和健康参与者的大脑进行覆盖。然而,由于颅外传感器距离脑源较远,与iEEG相比,MEG和EEG的信噪比更低(尤其是在高频时)。对于连接体的衍生来说,重要的是,多个传感器从大脑中相同的电源采集活动——这种效应被称为体积传导(EEG)或场扩散(MEG),它会在头皮测量点之间引入泄漏。脑电/脑磁图生成器的逆建模(基于头皮水平场/电位测量重建脑电流的源空间估计)改善了这一问题。然而,逆问题的不适定性质意味着,即使在源空间,由不同区域的低阶网络产生的信号之间也会发生泄漏,这使得连接性测量变得复杂。与EEG相比,脑磁图对头部组织的几何形状和电导不太敏感,因而具有较高的空间精度。MEG也更不容易受到生物影响。然而,MEG在购买和操作上也更昂贵,因此更不容易获得。传感技术的重大进展为新型、更灵活、更经济的MEG仪器的问世提供了希望,这些仪器最近已被证明对连接性测量非常有效。
下表总结了一系列电生理记录技术的异同。最重要的是,所有这些技术都可以提供有用的和高保真的连接测量,这很好的补充了使用MRI/fMRI测量的结构和功能连接体方面的研究。
目前用于电生理连接性评估的方法:广义上来说,电生理连接性测量可以分为两类,频带内(例如,alpha-to-alpha)和频带间(例如,alpha-to-gamma)。目前常用的两类频内连接性测量方法是固定相位关系测量和振幅相关测量。这些技术被认为能够测量出不同的功能连接模式。对于频率间测量,有三种典型的技术:相位-相位、幅值-幅值和相位幅值耦合,后者是最常用的。
电生理数据中计算连接性的流程:具体流程见下图
在电生理数据中计算连接性的流程图参考来源:Connectomics of Human Electrophysiology.
https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118788
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