皮層下神經(jīng)元活動(dòng)與大尺度腦網(wǎng)絡(luò)高度相關(guān)。盡管腦電圖（EEG）記錄提供了較高的時(shí)間分辨率和較大的覆蓋范圍來(lái)研究整個(gè)大腦活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)，但是皮層下信號(hào)檢測(cè)的可行性尚有爭(zhēng)議。來(lái)自日內(nèi)瓦大學(xué)的Martin Seeber等人在NATURE COMMUNICATIONS雜志發(fā)文，該研究探討了了頭皮腦電是否可以檢測(cè)并正確定位放置在中央丘腦和伏隔核中的顱內(nèi)電極記錄的信號(hào)。放置在這些區(qū)域的深部腦刺激電極（DBS）可與高密度（256通道）EEG信號(hào)同時(shí)記錄活動(dòng)。在三名閉眼休息的患者中，研究者發(fā)現(xiàn)從顱內(nèi)發(fā)出的alpha信號(hào)和腦電溯源分析的結(jié)果之間存在顯著相關(guān)性。 腦電溯源分析給出的信號(hào)與顱內(nèi)DBS 電極給出的信號(hào)高度相關(guān)。因此，該研究提供直接證據(jù)表明頭皮腦電確實(shí)可以感知皮層下信號(hào)。 

【前言】

腦電圖（EEG）和腦磁圖（MEG）具有高時(shí)間分辨率和良好空間分辨率，能作為強(qiáng)大的工具來(lái)研究大腦神經(jīng)活動(dòng)。通過(guò)將溯源分析方法應(yīng)用于頭皮記錄，可以以毫秒的分辨率重建特定大腦區(qū)域中的神經(jīng)元活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)成像。

使用非侵入性方法定位神經(jīng)元活動(dòng)的準(zhǔn)確性和精確度仍是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。評(píng)估放射源定位精度的黃金標(biāo)準(zhǔn)之一是評(píng)估因臨床目的植入皮質(zhì)下或顱內(nèi)電極的患者的顱內(nèi)記錄。最常見(jiàn)的情況是，在藥物耐受性癲癇患者中，在手術(shù)前通過(guò)使用顱內(nèi)記錄來(lái)確定癲癇病灶的定位。這種記錄提供了一種獨(dú)特的可能性，即通過(guò)頭皮EEG信號(hào)的溯源分析來(lái)估計(jì)癲癇病灶的大致位置（在大多數(shù)情況下為刺激區(qū)域），并與以高空間精度記錄下相同活動(dòng)的顱內(nèi)電極的位置進(jìn)行比較。盡管兩個(gè)信號(hào)記錄通常不會(huì)同時(shí)執(zhí)行記錄，但是癲癇活動(dòng)的產(chǎn)生基于特定的腦區(qū)，使得能夠比較不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行的記錄。這些研究表明，高密度頭皮腦電圖對(duì)癲癇病灶定位的精確度平均約為±15毫米。使用癲癇成功手術(shù)后的切除區(qū)域作為定位的基礎(chǔ)研究表明，腦電源成像分析（EEG source imaging,ESI）成功地以大約85％的準(zhǔn)確度識(shí)別了癲癇區(qū)域。其他研究將EEG或MEG源定位分析與顱內(nèi)誘發(fā)電位、電皮層刺激或功能磁共振成像（fMRI）進(jìn)行比較，也證明了使用這些非侵入性技術(shù)的源定位精度。

然而，相關(guān)的問(wèn)題是，是否可以通過(guò)頭皮腦電圖或MEG來(lái)感知大腦深層結(jié)構(gòu)中的活動(dòng)。人們普遍認(rèn)為，從頭皮記錄中看不到深層大腦結(jié)構(gòu)的活動(dòng)，但一些EEG和MEG研究已經(jīng)發(fā)表，聲稱能夠確定皮層下結(jié)構(gòu)的活動(dòng)。但是，尚未提供對(duì)此論點(diǎn)的直接支持性證據(jù)或反對(duì)證據(jù)。

在這項(xiàng)工作中，研究者旨在通過(guò)同時(shí)記錄位于皮層下區(qū)域電極和高密度（256通道）頭皮電極來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題。在深度腦刺激（deep brain stimulation, DBS）治療的框架下，分別記錄在丘腦和伏隔核中植入了電極的Tourette綜合征（Gilles de Tourette Syndrome, GTS，又名抽動(dòng)-穢語(yǔ)綜合征）和強(qiáng)迫癥（obsessive–compulsive disorder, OCD）患者的顱內(nèi)腦電信號(hào)和皮層腦電信號(hào)。然后可以將深層結(jié)構(gòu)的直接局部電極記錄，與根據(jù)頭皮腦電圖溯源分析重建的大腦區(qū)域中虛擬電極的活動(dòng)進(jìn)行比較。研究者報(bào)告了顱內(nèi)記錄的信號(hào)和在接近實(shí)際電極位置的溯源分析信號(hào)之間存在顯著相關(guān)性，因此提供了直接證據(jù)表明頭皮腦電圖確實(shí)檢測(cè)到皮質(zhì)下神經(jīng)元活動(dòng)，可以使用源成像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行重建和定位。
【方法】

被試。共4名被試，OCD和GTS各兩名。

EEG信號(hào)收集。記錄被試閉眼休息的腦電信號(hào)。頭皮電極256通道。對(duì)于OCD和GTS患者，顱內(nèi)電極分別包含四個(gè)相距1.5mm和0.5mm的電極點(diǎn)。電極的精確定位在圖1a和補(bǔ)充圖1中給出。皮層下電極的電線從右側(cè)頂葉出來(lái)，然后連接到放大器，而頭皮電極直接連接到放大器。因此，記錄將同步并一起進(jìn)行A / D轉(zhuǎn)換，保證信號(hào)的精確同步。所有數(shù)據(jù)均以1000Hz的采樣率收集，并在0.1-100 Hz之間進(jìn)行帶通濾波。皮層下電極在線參考為右乳突，離線參考為雙側(cè)乳突。頭皮腦電在線參考為頂點(diǎn)電極，離線參考為全腦平均。

圖1 OCD患者的電極植入和電生理記錄。

a)術(shù)后CT掃描與MRI的疊加，說(shuō)明顱內(nèi)DBS電極在其與內(nèi)囊的過(guò)渡處的位置，顯示為藍(lán)點(diǎn)（即伏隔核）。

b)表示四個(gè)顱內(nèi)電極點(diǎn)的頂部，中間和底部中的三個(gè)雙極導(dǎo)數(shù)，來(lái)顯示功率譜密度（PSD）和示例性時(shí)程。請(qǐng)注意，兩個(gè)最背面的電極位于內(nèi)囊中。

c)使用頭皮EEG的PSD和顱內(nèi)記錄來(lái)選擇單個(gè)的alpha峰值頻率（左圖）。窄帶濾波后的alpha包絡(luò)顯示了頭皮和顱內(nèi)信號(hào)的相似性和差異性（右圖）。不同的顏色表示不同的記錄電極；淺/深灰色分別對(duì)應(yīng)于左/右半球植入部位。

補(bǔ)充圖1. 每個(gè)被試植入的電極位置。T2 MRI（灰度）與術(shù)后CT（藍(lán)色）掃描重疊，重點(diǎn)放在DBS電極位置。電極位置是藍(lán)點(diǎn)，顯示OCD伏隔核的植入位置和GTS患者的中央丘腦的植入位置。

EEG信號(hào)分析。

目視檢查高密度腦電圖是否有噪音，剔除具有大量噪音的電極，對(duì)壞電極進(jìn)行球形插值。之后選擇無(wú)噪音的腦電圖，持續(xù)時(shí)間至少為4分鐘。

研究者分析了休息期間最突出的腦電圖活動(dòng)之一，即8-10 Hz頻率范圍內(nèi)的alpha振蕩，已知該振蕩是在皮層以及丘腦核中產(chǎn)生的。過(guò)濾頭皮電極和顱內(nèi)電極信號(hào)在±1Hz之間的單個(gè)Alpha峰值（圖1b，補(bǔ)充圖2），使用Welch’s method進(jìn)行功率譜密度（PSD）分析。然后，使用Hilbert變換計(jì)算解析信號(hào)。通過(guò)獲取源定位信號(hào)的幅值得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的alpha峰值，并結(jié)合每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的3D（xyz）信息以計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值。

溯源定位分析使用前向模型進(jìn)行，該模型基于現(xiàn)實(shí)的頭部幾何形狀和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，并考慮了顱骨厚度，使用FreeSurfer對(duì)單個(gè)T1加權(quán)像（1*1*1mm³）分割，識(shí)別灰質(zhì)和解剖區(qū)域。

逆解空間由約5000個(gè)點(diǎn)組成，均勻分布在灰質(zhì)體積中。用線性分布逆解LAURA算法來(lái)計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的三維（3D）電流密度分布。使用FSL的FLIRT工具包，將MRI（加權(quán)的T1和T2）與術(shù)后CT掃描對(duì)齊。基于該配準(zhǔn)來(lái)計(jì)算DBS電極的皮層下電極坐標(biāo)。

對(duì)于顱內(nèi)記錄，使用濾波和Hilbert變換進(jìn)行相同頻段的分析。對(duì)于每個(gè)半球，基于PSD中頻譜峰的存在，選擇一個(gè)雙極偏差進(jìn)行進(jìn)一步分析，因?yàn)轭l譜峰是證明感興趣頻帶內(nèi)腦部振蕩的先決條件。隨后，將這些源自皮層下電極的alpha信號(hào)與其在相同時(shí)間點(diǎn)上的EEG源定位重構(gòu)信號(hào)求相關(guān)。因此，所得到的源定位圖像說(shuō)明了實(shí)際記錄的皮層下信號(hào)與EEG溯源得到的皮層下信號(hào)的相關(guān)性。通過(guò)將負(fù)相關(guān)值設(shè)置為零來(lái)忽略它們，因?yàn)樗鼈兛赡茉醋苑治鲋械拈撝祷襟E。所有分析均使用Cartool工具和自定義編寫的MATLAB腳本執(zhí)行。

補(bǔ)充圖2.每個(gè)受試者的頭皮腦電和顱內(nèi)記錄的功率譜密度圖。GTS1和GTS2有兩個(gè)不同的session。請(qǐng)注意，在OCD2中，沒(méi)有可檢測(cè)到的alpha峰，因此不再進(jìn)行進(jìn)一步分析。淺/深灰色對(duì)應(yīng)于左/右半球植入部位。

統(tǒng)計(jì)分析。使用置換檢驗(yàn)確定相關(guān)值的統(tǒng)計(jì)顯著性。為了得到置換排列分布，研究者以隨機(jī)的滯后時(shí)間將溯源重建信號(hào)和實(shí)際顱內(nèi)信號(hào)相對(duì)于彼此移位，然后計(jì)算出相關(guān)性。排除了≤2s的時(shí)間滯后數(shù)據(jù)，這是因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)，alpha振幅具有很高的自相關(guān)性。由于零滯后時(shí)的相關(guān)表示精確的時(shí)間對(duì)齊，因此研究者檢驗(yàn)這些相關(guān)值是否顯著高于隨機(jī)滯后的相關(guān)值。重復(fù)該過(guò)程10⁴次，P值卡0.01。

【結(jié)果】

顱內(nèi)和頭皮電極記錄中存在alpha振蕩

在每位被試的記錄中，EEG頭皮電極記錄顯示平均的alpha活動(dòng)頻率為8-10 Hz。在顱內(nèi)記錄中發(fā)現(xiàn)了與被試頭皮腦電圖記錄相同的alpha頻率，這些頻率顯示出一個(gè)清晰的頻譜峰（圖1b，c，補(bǔ)充圖2），與同時(shí)記錄的丘腦核（thalamic nuclei）以及皮層（cortex）信號(hào)中的alpha振蕩的觀察結(jié)果相對(duì)應(yīng)。一名被試在顱內(nèi)部位未見(jiàn)alpha峰值。由于明確的頻譜峰值是研究神經(jīng)振蕩的可檢測(cè)性的前提，因此該受試者被排除在進(jìn)一步分析之外。 

皮層下活動(dòng)可以通過(guò)頭皮腦電重建

首先，將顱內(nèi)電極的alpha包絡(luò)的時(shí)間序列信號(hào)與EEG源定位重建在大腦灰質(zhì)的虛擬點(diǎn)處獲得的等效信號(hào)求相關(guān)。對(duì)顱內(nèi)與頭皮腦電圖alpha包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行視覺(jué)比較（圖1c），發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)和頭皮記錄之間的某些相似之處。定量分析發(fā)現(xiàn)，顱內(nèi)電極的alpha包絡(luò)信號(hào)與EEG溯源的重建信號(hào)存在顯著相關(guān)（校正后的p≤0.01，置換檢驗(yàn)），皮質(zhì)下區(qū)域的溯源定位非常接近在伏隔核（OCD）和中央丘腦（GTS）放置的實(shí)際電極位置（圖2）。當(dāng)實(shí)際信號(hào)與重建信號(hào)的滯后時(shí)間在0左右時(shí)，相關(guān)最大；滯后時(shí)間越長(zhǎng)，相關(guān)越?。▓D3a），表明時(shí)間同步性高。

圖2. 重建的腦電源信號(hào)與實(shí)際的顱內(nèi)信號(hào)相關(guān)。重建源信號(hào)與實(shí)際記錄的alpha包絡(luò)信號(hào)之間的顯著相關(guān)性。顱內(nèi)電極植入伏隔核（OCD）和左右半球的中央丘腦（GTS）中。因此，源定位重建信號(hào)和顱內(nèi)信號(hào)之間的最高相關(guān)性位于目標(biāo)區(qū)域中，即植入?yún)^(qū)域中或緊鄰植入?yún)^(qū)域。這兩個(gè)記錄區(qū)域分別是OCD1被試中的左/右殼核（putamen），GTS1被試的左蒼白球（pallidum）和右丘腦（thalamus）。GTS1被試的左/右殼狀體和GTS2被試中的的左丘腦。

此外，研究者發(fā)現(xiàn)兩個(gè)半球的顱內(nèi)記錄之間存在顯著相關(guān)性。左右中間丘腦（left and rightcentromedial thalamus）之間以及左右伏隔核（left and right nucleus accumbens）之間存在這種半球間alpha相關(guān)性（圖3a）。溯源重建信號(hào)在雙側(cè)皮質(zhì)下區(qū)域也存在相關(guān)。但是，在某些情況下，偏側(cè)化相關(guān)性取決于用來(lái)檢測(cè)關(guān)聯(lián)性的電極（左/右半球）（圖2）。在GTS2中，對(duì)于右顱內(nèi)衍生物（intracranial derivatives），未檢測(cè)到明顯的alpha峰、ESI相關(guān)性和半球之間的顱內(nèi)交叉相關(guān)性。同一半球中顱內(nèi)電極實(shí)際位置與最接近皮層下簇的ESI相關(guān)最大值之間的歐式距離（Euclidian distance）在14.8到23.5mm之間，并在表1中列出。重建alpha信號(hào)和顱內(nèi)實(shí)際alpha信號(hào)之間的相關(guān)性在接近顱內(nèi)電極位置時(shí)最高，與顱內(nèi)電極位置距離越遠(yuǎn)相關(guān)越低（圖3b）。此外，研究者在表1中報(bào)告了相關(guān)值顯著的空間范圍（校正后的p <0.01，置換檢驗(yàn)）。這些范圍越寬，相關(guān)越高。

最后，為了獲得極其顯著的相關(guān)結(jié)果，需要幾秒鐘的腦電記錄，以捕獲幾秒鐘范圍內(nèi)的alpha包絡(luò)動(dòng)態(tài)變化（另請(qǐng)參見(jiàn)圖1c）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：盡管較短的時(shí)間窗口內(nèi)計(jì)算出的相關(guān)值彼此之間存在很大差異，但時(shí)間窗口間的平均相關(guān)值保持穩(wěn)定（圖3c），并且在空間上高度相關(guān)（r> 0.9）。

圖3 相關(guān)分析的時(shí)空特性。

a) 分別以淺灰色/深灰色顯示在左/右半球伏隔核（OCD）和中央丘腦（GTS）中的顱內(nèi)電極處記錄的實(shí)際信號(hào)和腦電溯源重建信號(hào)的alpha包絡(luò)之間的相關(guān)。黑色顯示了兩個(gè)半球中顱內(nèi)電極之間的相關(guān)。注意，在零滯后處的相當(dāng)大的峰表示相關(guān)信號(hào)之間的精確時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于GTS2，在右半球的皮質(zhì)下區(qū)域中，在顱內(nèi)記錄和源重建信號(hào)之間，或者在兩個(gè)半球之間的顱內(nèi)記錄之間都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性。  

b)源定位重建alpha信號(hào)和實(shí)際顱內(nèi)alpha信號(hào)之間的相關(guān)性（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）受到顱內(nèi)電極距離的影響。請(qǐng)注意，這些圖中的最大值表示定位誤差，陡度隨距離增加而衰減，來(lái)表示這些皮層下區(qū)域的空間分辨率。頂部的黑線表示明顯的范圍。c) 不同時(shí)間窗口計(jì)算出的相關(guān)值（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差），表明結(jié)果在不同時(shí)間范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

表1. 腦電信號(hào)溯源分析的空間誤差和范圍。在皮層下，計(jì)算顱內(nèi)電極位置與ESI相關(guān)最大值之間的歐式距離，單位為毫米。此外，報(bào)告了顱內(nèi)電極周圍相關(guān)值顯著的空間范圍。 

【結(jié)論】

先前研究中使用模擬和溯源分析的工作，為非侵入性EEG和MEG記錄皮層下活動(dòng)的可檢測(cè)性提供了間接證據(jù)。在這項(xiàng)研究中，研究者直接通過(guò)顱內(nèi)記錄證實(shí)皮層下信號(hào)的真實(shí)性，再結(jié)合無(wú)創(chuàng)性EEG源定位重建將這些信號(hào)定位在實(shí)際記錄位置附近，來(lái)證實(shí)這一假說(shuō)。本研究結(jié)果提供直接證據(jù)證明頭皮腦電可以感知皮層下活動(dòng)。
原文：Subcortical electrophysiological activity is detectable with high-density EEG source imaging

微信掃碼或者長(zhǎng)按選擇識(shí)別關(guān)注思影