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皮層下神經(jīng)元活動與大尺度腦網(wǎng)絡(luò)高度相關(guān)。盡管腦電圖（EEG）記錄提供了較高的時間分辨率和較大的覆蓋范圍來研究整個大腦活動的動力學(xué)，但是皮層下信號檢測的可行性尚有爭議。來自日內(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。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信號同時記錄活動。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與顱內(nèi)DBS 電極給出的信號高度相關(guān)。因此，該研究提供直接證據(jù)表明頭皮腦電確實可以感知皮層下信號。腦電圖（EEG）和腦磁圖（MEG）具有高時間分辨率和良好空間分辨率，能作為強大的工具來研究大腦神經(jīng)活動。通過將溯源分析方法應(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，從而實現(xiàn)全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實時成像。使用非侵入性方法定位神經(jīng)元活動的準(zhǔn)確性和精確度仍是一個有爭議的問題。評估放射源定位精度的黃金標(biāo)準(zhǔn)之一是評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。最常見的情況是，在藥物耐受性癲癇患者中，在手術(shù)前通過使用顱內(nèi)記錄來確定癲癇病灶的定位。這種記錄提供了一種獨特的可能性，即通過頭皮EEG信號的溯源分析來估計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的顱內(nèi)電極的位置進(jìn)行比較。盡管兩個信號記錄通常不會同時執(zhí)行記錄，但是癲癇活動的產(chǎn)生基于特定的腦區(qū)，使得能夠比較不同時間點進(jìn)行的記錄。這些研究表明，高密度頭皮腦電圖對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)的問題是，是否可以通過頭皮腦電圖或MEG來感知大腦深層結(jié)構(gòu)中的活動。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，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。但是，尚未提供對此論點的直接支持性證據(jù)或反對證據(jù)。在這項工作中，研究者旨在通過同時記錄位于皮層下區(qū)域電極和高密度（256通道）頭皮電極來研究這個問題。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-穢語綜合征）和強迫癥（obsessive–compulsive disorder, OCD）患者的顱內(nèi)腦電信號和皮層腦電信號。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進(jìn)行比較。研究者報告了顱內(nèi)記錄的信號和在接近實際電極位置的溯源分析信號之間存在顯著相關(guān)性，因此提供了直接證據(jù)表明頭皮腦電圖確實檢測到皮質(zhì)下神經(jīng)元活動，可以使用源成像技術(shù)對其進(jìn)行重建和定位。EEG信號收集。記錄被試閉眼休息的腦電信號。頭皮電極256通道。對于OCD和GTS患者，顱內(nèi)電極分別包含四個相距1.5mm和0.5mm的電極點。電極的精確定位在圖1a和補充圖1中給出。皮層下電極的電線從右側(cè)頂葉出來，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，說明顱內(nèi)DBS電極在其與內(nèi)囊的過渡處的位置，顯示為藍(lán)點（即伏隔核）。 b)表示四個顱內(nèi)電極點的頂部，中間和底部中的三個雙極導(dǎo)數(shù)，來顯示功率譜密度（PSD）和示例性時程。請注意，兩個最背面的電極位于內(nèi)囊中。 c)使用頭皮EEG的PSD和顱內(nèi)記錄來選擇單個的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/深灰色分別對應(yīng)于左/右半球植入部位。 
補充圖1. 每個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，重點放在DBS電極位置。電極位置是藍(lán)點，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，對壞電極進(jìn)行球形插值。之后選擇無噪音的腦電圖，持續(xù)時間至少為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。過濾頭皮電極和顱內(nèi)電極信號在±1Hz之間的單個Alpha峰值（圖1b，補充圖2），使用Welch’s method進(jìn)行功率譜密度（PSD）分析。然后，使用Hilbert變換計算解析信號。通過獲取源定位信號的幅值得到每個時間點的alpha峰值，并結(jié)合每個時間點的3D（xyz）信息以計算標(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對單個T1加權(quán)像（1*1*1mm3）分割，識別灰質(zhì)和解剖區(qū)域。逆解空間由約5000個點組成，均勻分布在灰質(zhì)體積中。用線性分布逆解LAURA算法來計算每個時間點的三維（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掃描對齊?；谠撆錅?zhǔn)來計算DBS電極的皮層下電極坐標(biāo)。對于顱內(nèi)記錄，使用濾波和Hilbert變換進(jìn)行相同頻段的分析。對于每個半球，基于PSD中頻譜峰的存在，選擇一個雙極偏差進(jìn)行進(jìn)一步分析，因為頻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信號與其在相同時間點上的EEG源定位重構(gòu)信號求相關(guān)。因此，所得到的源定位圖像說明了實際記錄的皮層下信號與EEG溯源得到的皮層下信號的相關(guān)性。通過將負(fù)相關(guān)值設(shè)置為零來忽略它們，因為它們可能源自分析中的閾值化步驟。所有分析均使用Cartool工具和自定義編寫的MATLAB腳本執(zhí)行。
補充圖2.每個受試者的頭皮腦電和顱內(nèi)記錄的功率譜密度圖。GTS1和GTS2有兩個不同的session。請注意，在OCD2中，沒有可檢測到的alpha峰，因此不再進(jìn)行進(jìn)一步分析。淺/深灰色對應(yīng)于左/右半球植入部位。 統(tǒng)計分析。使用置換檢驗確定相關(guān)值的統(tǒng)計顯著性。為了得到置換排列分布，研究者以隨機(jī)的滯后時間將溯源重建信號和實際顱內(nèi)信號相對于彼此移位，然后計算出相關(guān)性。排除了≤2s的時間滯后數(shù)據(jù)，這是因為在該范圍內(nèi)，alpha振幅具有很高的自相關(guān)性。由于零滯后時的相關(guān)表示精確的時間對齊，因此研究者檢驗這些相關(guān)值是否顯著高于隨機(jī)滯后的相關(guān)值。重復(fù)該過程104次，P值卡0.01。 如果您對腦電信號處理感興趣，歡迎點擊下文瀏覽思影科技腦電數(shù)據(jù)處理課程及服務(wù)（目前思影采取預(yù)報名制度，以下所有課程均可報名，受疫情影響部分課程時間或有調(diào)整，報名后我們會第一時間聯(lián)系）：在每位被試的記錄中，EEG頭皮電極記錄顯示平均的alpha活動頻率為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清晰的頻譜峰（圖1b，c，補充圖2），與同時記錄的丘腦核（thalamic nuclei）以及皮層（cortex）信號中的alpha振蕩的觀察結(jié)果相對應(yīng)。一名被試在顱內(nèi)部位未見alpha峰值。由于明確的頻譜峰值是研究神經(jīng)振蕩的可檢測性的前提，因此該受試者被排除在進(jìn)一步分析之外。首先，將顱內(nèi)電極的alpha包絡(luò)的時間序列信號與EEG源定位重建在大腦灰質(zhì)的虛擬點處獲得的等效信號求相關(guān)。對顱內(nèi)與頭皮腦電圖alpha包絡(luò)信號進(jìn)行視覺比較（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)信號與EEG溯源的重建信號存在顯著相關(guān)（校正后的p≤0.01，置換檢驗），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）放置的實際電極位置（圖2）。當(dāng)實際信號與重建信號的滯后時間在0左右時，相關(guān)最大；滯后時間越長，相關(guān)越小（圖3a），表明時間同步性高。
圖2. 重建的腦電源信號與實際的顱內(nèi)信號相關(guān)。重建源信號與實際記錄的alpha包絡(luò)信號之間的顯著相關(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，源定位重建信號和顱內(nèi)信號之間的最高相關(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 right centromedial 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)性取決于用來檢測關(guān)聯(lián)性的電極（左/右半球）（圖2）。在GTS2中，對于右顱內(nèi)衍生物（intracranial derivatives），未檢測到明顯的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信號和顱內(nèi)實際alpha信號之間的相關(guān)性在接近顱內(nèi)電極位置時最高，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中報告了相關(guān)值顯著的空間范圍（校正后的p <0.01，置換檢驗）。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)動態(tài)變化（另請參見圖1c）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：盡管較短的時間窗口內(nèi)計算出的相關(guān)值彼此之間存在很大差異，但時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）。
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)電極處記錄的實際信號和腦電溯源重建信號的alpha包絡(luò)之間的相關(guān)。黑色顯示了兩個半球中顱內(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)信號之間的精確時間對準(zhǔn)。對于GTS2，在右半球的皮質(zhì)下區(qū)域中，在顱內(nèi)記錄和源重建信號之間，或者在兩個半球之間的顱內(nèi)記錄之間都沒有發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性。 b)源定位重建alpha信號和實際顱內(nèi)alpha信號之間的相關(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) 不同時間窗口計算出的相關(guān)值（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差），表明結(jié)果在不同時間范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。
表1. 腦電信號溯源分析的空間誤差和范圍。在皮層下，計算顱內(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，報告了顱內(nèi)電極周圍相關(guān)值顯著的空間范圍。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記錄皮層下活動的可檢測性提供了間接證據(jù)。在這項研究中，研究者直接通過顱內(nèi)記錄證實皮層下信號的真實性，再結(jié)合無創(chuàng)性EEG源定位重建將這些信號定位在實際記錄位置附近，來證實這一假說。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。原文：Subcortical electrophysiological activity is
detectable with high-density EEG source imaging如需原文及補充材料請加微信：siyingyxf 或者19962074063獲取,如對思影課程感興趣也可加此微信號咨詢。
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