读《同步脑电-功能磁共振（EEG-fMRI）原理与技术》-第一篇

第一篇概论，包括：“EEG和fMRI的神经生理基础、同步EEG-fMRI的发展历史、同步记录及其计数原理、实验设计和基本分析方法。“

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第一章 EEG和fMRI的神经生理基础

在神经成像领域中，有两种最主要的神经成像工具，fMRI和EEG，它门对全脑活动进行观察和记录时都是无创的。

功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）可以让我们在毫米量级看到大脑的活动。fMRI与神经元群的能量代谢小号有关，空间分辨率能达到毫米量级。但是，它的信号的时间分辨率很低，大约在秒的量级。由于血氧水平依赖信号(BOLD)本身的产生机理，所以不能通过提高成像的采样率进行缓解。

脑电（electroencephalogram，EEG）可以让我们在毫米量级听到大脑的旋律。EEG反映同步神经电活动，具有和神经认知过程相同的时间尺度。但是信号在传出头皮的过程中，会经过多次折叠，他的空间信息就会比较模糊。

1.1 大脑解剖结构

脑可分为：大脑、小脑、间脑和脑干。

大脑浸泡在脑脊液中，外面包裹着颅骨和头皮，体积最大，平均质量为1.4kg。

1）大脑分为皮质（灰质）和髓质。其中，皮质主要由神经细胞组成，面积大约为2500平方厘米，厚度为1~4mm，由于颅腔的限制出现沟、回，并逐渐增加其数目。最近研究表明，人脑中神经元850亿~1000亿个，而一个典型的神经元会通过突触和大约1000个其他的神经元进行通信。那么也就是，大脑中约有100万亿个突触。细胞与细胞间的信息传递以化学传递为主，多达50种神经递质参与了这项任务。

2）左右半脑通过胼胝pian zhi体相连，按脑表面的沟、回分布，可进一步将大脑分为额叶、颞叶、顶叶和枕叶。脑的解剖分区如下图：

• 额叶（frontal lobe）是大脑中最高级的部分，位于中央沟之前，包括初级运动区、前运动区和前额叶。只要负责 思维、计划，与个体的需求和情感有关。
• 颞叶（temporal lobe）位于外侧裂下方，上中下三条沟分别为颞上回、颞中回、颞下回，隐藏在外侧裂里面的是颞横回，颞叶侧面、底面、颞下沟、侧副裂间为梭状回，副侧裂与海马裂之间为海马回，围绕海马裂前段的勾庄部分称为海马沟回。颞叶为听觉言语中枢、嗅觉中枢、味觉中枢所在地，主要负责处理听觉信息，也与技艺和情感有关。
• 顶叶（parietal lobe）位于中央沟之后，顶枕裂于枕前切迹线连线之前，在中央沟和中央后沟之间为中央后回，横行的顶间沟将顶叶余部分分为顶上小叶和顶下小叶，顶下小叶又包括缘上回和角回。这一区域主要响应疼痛、触摸、品尝、温度、压力的感觉，也和数学、逻辑相关。
• 枕叶（occipital lobe）位于半球后部，在枕顶沟的后方。主要负责视觉，是视觉皮质中枢。当枕叶病损时，不仅会发生视觉障碍，还会出现记忆缺陷和运动知觉障碍等症状，但是以视觉症状为主。

神经细胞是组成神经系统的基本功能单位，神经细胞之间通过相互联系形成的神经环路则是神经系统处理信息的基本单位。近年来，越来越重视探讨神经细胞与神经细胞，脑区域脑区之间的相互联系，即脑网络。

美国《科学》杂志2007年年底指出，有望了解大脑神经细胞回路是如何处理信息和调控行为。美国国立卫生研究院组织实施的人类脑连接组计划致力于从不同的时空尺度研究 脑网络拓扑结构、动力学属性、脑功能及功能异常的脑网络表征、脑网络的遗传基础等。

由于大脑是浸泡在脑脊液中，外面包裹有颅骨和头皮。fMRI采用梯度磁场对空间进行编码，能直接测量大脑的血氧代谢指标，所以可以不考虑脑脊液、颅骨和头皮的影响。但对于EEG，皮层上的电活动要经过这三层的体积传道才能为投标点击所记录，因此，研究EEG时还需要考虑这些脑组织的影响，特别是他们的电导率分布规律。脑组织有明显的各向异性，沿白质神经纤维轴向的电传导比沿其切向要快得多，通常颅骨和头皮在不同位置的厚度和电导率不同，再加上颅骨上还有孔洞，这就使得从皮层活动推导到头皮记录这一问题非常复杂。目前只能借助简化模型，如三层同心球模型进行模拟近似。

了解大脑神经生理基础对同步EEG-fMRI具有以下两个意义：

• 首先，两种模态对脑组织敏感性不同，详细的解剖知识有助于设计出更好的实验。例如，白质和灰质具有不同的弛豫时间，需要采用相应的MRI序列进行扫描。再如，EEG对于深部脑区通常不敏感，一个考虑杏仁核对恐怖刺激反应的实验可以借助fMRI进行记录，而被试的警觉水平可以由EEG的节律判断。
• 其次，细胞层次上的功能和结构决定了产生EEG和fMRI信号的神经机制，是对EEG和fMRI进行信号建模的基础。

 

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1.2 EEG的产生机制

这本书介绍的同步EEG-fMRI中的EEG专指头表脑电（scalp EEG），是用电极在头表记录的电位变化。目前，将电极放到颅内的皮层表面进行fMRI同步扫描，通常将该脑电系统称为皮层脑电图（electrocorticogram ,ECoG）。可以认为，头表EEG是ECoG通过颅骨的低通滤波后的结果。

脑电的频率范围为1~50Hz，波形因不同的脑部位置而异，并且和觉醒和睡眠的水平相关。除此之外，还存在很大的个体差异，也就是说，脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。

神经细胞具有生物电活动，单个细胞的跨膜静息电位大约为-70mV，是K离子外流形成的静息电位。神经元接受一个大于一定阈值的刺激时，该处的极化膜对Na离子的通透性突然增大，大量的Na离子迅速进入膜内，使得膜内点位急速上升，产生膜的除极化，同时形成一个膜电位，即动作电位。神经元的不同部分膜电位的持续时间有所不同，范围是1~5ms。轴突的动作电位尽管发放频繁且具有很高的幅度，但由于持续时间短，通常不能产生能被电极记录到的信号。

电极和神经细胞的距离是影响EEG幅度的主要因素，电极离神经细胞越远，幅度衰减越厉害。其次，活动区域的局部结构也会影响电位纪录的大小。

因为脑脊液、颅骨和头皮等体积导体的作用，在头皮上任何记录的EEG都可能包含了多个脑取得混合活动过程，因此EEG的空间分辨率非常有限。但由于电信号是瞬时传播扩散的，EEG对神经事件几乎没有延时作用，具有很高的事件分辨率。

 

1.4 同步采集的神经生理基础

fMRI通过测量代谢和血氧动力学响应信号来推知相关的神经活动改变，并伴随有神经血管耦合和MRI物理测量等中间环节，是神经活动的间接观察。

目前的研究是通过侵入式或非侵入式的多模态测量，探讨电生理信号和神经成像信号间的关系。

集中于研究 测量和解释静息态出现的大幅度自发震荡 这种信号，静息状态下的fMRI信号震荡在广大脑区表现出相关，引发功能连通性分析的新方法。例如，不管是采用单个体素的fMRI时间序列或是神经活动，都可以发现与V1区高度相关的地方出现在视觉皮层的广泛区域，而且在两个半球对称出现。例如，在相隔甚远的两个脑区，静息态fMRI信号的功能连通性与神经活动慢速自发振荡的同步性高度相关。

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第2章 同步EEG-fMRI的发展历史

2.1 同步EEG-fMRI产生的背景

2.1.1 脑电

•  节律在头部各处均可记录到，尤其是顶枕区最显著。它和视觉活动有关。进入睡眠时，该节律完全消失；但在觉醒安静闭幕时，出现的数量最多且振幅最高。它的频率、振幅和空域分布等因素是反映大脑机能状态的重要指标。随着脑发育成熟或者年龄的变化，数量逐渐增多，频率逐渐提高，到成年期趋于稳定，而到了老年期会逐渐变慢。
• 节律，每秒1~3个周期，主要出现在颞叶和枕叶。在熟睡、婴儿、严重器质性脑病患者、进行过皮质下横切手术（这种手术使得大脑皮质和网状激活系统产生了功能性分离）的动物的脑电中都能观察到，说明它与丘脑的非特意传入系统有关。
• 节律频率为4~7Hz，在顶叶和颞叶较为明显，与心境状态有密切关系。从儿童到成人，频率逐渐增加而振幅逐渐降低，出现数量逐渐减少。但是酒后欣快感提高的被试、有些精神病患者，以及老年人极为显著。
• 节律频率为14~30Hz，在额叶最易出现。情绪不稳定、应用镇静催眠剂等药物时，该节律常会增多，振幅增高。
• 节律频率为25~100Hz（通常处于40左右），对物体的神经表达是通过负责不同部位特征编码的节律活动进行的。清醒状态下记录到的新皮层和海马区域之间  该节律冬绿的可变性明显比慢波睡眠或快速眼动睡眠期 强。该节律被认为在 目标的表达、注意、记忆、意识和知觉绑定中发挥了重要作用，是形成意识知觉的基础。

2.1.2 事件相关电位（ERP）

• EEG是未接受外来刺激下的脑电活动。
• EP。当有外界刺激传入大脑时，可产生刺激引起的特异性反应。这种电活动被称为诱发电位（evoked potential，EP），通常幅度很小，为5~10V，难与自发EEG分开。但可以 采用 多次重复刺激的反应叠加 来解决等。（原理是：自发EEG是不规则的随机事件，多次叠加时相互抵消。而EP各式波形基本相同，叠加后EP被显现出来）
• EP是感觉引起的诱发电位，是脑内皮层初期活动的反映。
• ERP是人们对某种认知刺激事件进行信息加工时，所诱发的电位活动。多年的研究形成了多个出现条件明确、与心理因素的关系比较清楚的基本成分，通过不同成分的功能可以区分认知过程中的阶段。有很多优点.......缺点是：空间分辨率低。

2.1.3 功能磁共振（fMRI）

后来采用事件设计，可以在研究短时刺激中，得到很高的时间分辨率。通过重复实验，可以借由统计学方法判断哪些脑区在这个过程中有信号的变化，从而找出是哪些脑区在执行这些思考、动作或经历。

大部分的fMRI成像都用BOLD的对比原理来侦测脑中的反应区域，但是得到的信号相对并且非定量。在临床研究中，采用实验状态与对照状态统计相减的办法，认为相减后得到的兴奋（BOLD信号增强）区域就是与特定脑功能相关的区域，BOLD信号会随着血氧含量的减少或血容量的增加而降低。

近年来，利用脑的内源性振荡来探索静息状态网络发（resting-state network，RST）展较快。

fMRI优点：高时间分辨率、高信号保真度、对被试无创，适合多次重复实验；局限性：是对大脑活动的间接测量，无法有效回答有关认知机制的问题。

 

2.1.4 同步采集

EEG和fMRI都有本身的优势：EEG的时间分辨率和fMRI的空间分辨率