第一篇概論，包括：“EEG和fMRI的神經生理基礎、同步EEG-fMRI的發展歷史、同步記錄及其計數原理、實驗設計和基本分析方法。“

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第一章?EEG和fMRI的神經生理基礎

在神經成像領域中，有兩種最主要的神經成像工具，fMRI和EEG，它門對全腦活動進行觀察和記錄時都是無創的。

功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）可以讓我們在毫米量級看到大腦的活動。fMRI與神經元群的能量代謝小號有關，空間分辨率能達到毫米量級。但是，它的信號的時間分辨率很低，大約在秒的量級。由于血氧水平依賴信號(BOLD)本身的產生機理，所以不能通過提高成像的采樣率進行緩解。

腦電（electroencephalogram，EEG）可以讓我們在毫米量級聽到大腦的旋律。EEG反映同步神經電活動，具有和神經認知過程相同的時間尺度。但是信號在傳出頭皮的過程中，會經過多次折疊，他的空間信息就會比較模糊。

1.1 大腦解剖結構

腦可分為：大腦、小腦、間腦和腦干。

大腦浸泡在腦脊液中，外面包裹著顱骨和頭皮，體積最大，平均質量為1.4kg。

1）大腦分為皮質（灰質）和髓質。其中，皮質主要由神經細胞組成，面積大約為2500平方厘米，厚度為1~4mm，由于顱腔的限制出現溝、回，并逐漸增加其數目。最近研究表明，人腦中神經元850億~1000億個，而一個典型的神經元會通過突觸和大約1000個其他的神經元進行通信。那么也就是，大腦中約有100萬億個突觸。細胞與細胞間的信息傳遞以化學傳遞為主，多達50種神經遞質參與了這項任務。

2）左右半腦通過胼胝pian zhi體相連，按腦表面的溝、回分布，可進一步將大腦分為額葉、顳葉、頂葉和枕葉。腦的解剖分區如下圖：

• 額葉（frontal lobe）是大腦中最高級的部分，位于中央溝之前，包括初級運動區、前運動區和前額葉。只要負責 思維、計劃，與個體的需求和情感有關。
• 顳葉（temporal lobe）位于外側裂下方，上中下三條溝分別為顳上回、顳中回、顳下回，隱藏在外側裂里面的是顳橫回，顳葉側面、底面、顳下溝、側副裂間為梭狀回，副側裂與海馬裂之間為海馬回，圍繞海馬裂前段的勾莊部分稱為海馬溝回。顳葉為聽覺言語中樞、嗅覺中樞、味覺中樞所在地，主要負責處理聽覺信息，也與技藝和情感有關。
• 頂葉（parietal lobe）位于中央溝之后，頂枕裂于枕前切跡線連線之前，在中央溝和中央后溝之間為中央后回，橫行的頂間溝將頂葉余部分分為頂上小葉和頂下小葉，頂下小葉又包括緣上回和角回。這一區域主要響應疼痛、觸摸、品嘗、溫度、壓力的感覺，也和數學、邏輯相關。
• 枕葉（occipital lobe）位于半球后部，在枕頂溝的后方。主要負責視覺，是視覺皮質中樞。當枕葉病損時，不僅會發生視覺障礙，還會出現記憶缺陷和運動知覺障礙等癥狀，但是以視覺癥狀為主。

神經細胞是組成神經系統的基本功能單位，神經細胞之間通過相互聯系形成的神經環路則是神經系統處理信息的基本單位。近年來，越來越重視探討神經細胞與神經細胞，腦區域腦區之間的相互聯系，即腦網絡。

美國《科學》雜志2007年年底指出，有望了解大腦神經細胞回路是如何處理信息和調控行為。美國國立衛生研究院組織實施的人類腦連接組計劃致力于從不同的時空尺度研究 腦網絡拓撲結構、動力學屬性、腦功能及功能異常的腦網絡表征、腦網絡的遺傳基礎等。

由于大腦是浸泡在腦脊液中，外面包裹有顱骨和頭皮。fMRI采用梯度磁場對空間進行編碼，能直接測量大腦的血氧代謝指標，所以可以不考慮腦脊液、顱骨和頭皮的影響。但對于EEG，皮層上的電活動要經過這三層的體積傳道才能為投標點擊所記錄，因此，研究EEG時還需要考慮這些腦組織的影響，特別是他們的電導率分布規律。腦組織有明顯的各向異性，沿白質神經纖維軸向的電傳導比沿其切向要快得多，通常顱骨和頭皮在不同位置的厚度和電導率不同，再加上顱骨上還有孔洞，這就使得從皮層活動推導到頭皮記錄這一問題非常復雜。目前只能借助簡化模型，如三層同心球模型進行模擬近似。

了解大腦神經生理基礎對同步EEG-fMRI具有以下兩個意義：

• 首先，兩種模態對腦組織敏感性不同，詳細的解剖知識有助于設計出更好的實驗。例如，白質和灰質具有不同的弛豫時間，需要采用相應的MRI序列進行掃描。再如，EEG對于深部腦區通常不敏感，一個考慮杏仁核對恐怖刺激反應的實驗可以借助fMRI進行記錄，而被試的警覺水平可以由EEG的節律判斷。
• 其次，細胞層次上的功能和結構決定了產生EEG和fMRI信號的神經機制，是對EEG和fMRI進行信號建模的基礎。

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1.2 EEG的產生機制

這本書介紹的同步EEG-fMRI中的EEG專指頭表腦電（scalp EEG），是用電極在頭表記錄的電位變化。目前，將電極放到顱內的皮層表面進行fMRI同步掃描，通常將該腦電系統稱為皮層腦電圖（electrocorticogram ,ECoG）。可以認為，頭表EEG是ECoG通過顱骨的低通濾波后的結果。

腦電的頻率范圍為1~50Hz，波形因不同的腦部位置而異，并且和覺醒和睡眠的水平相關。除此之外，還存在很大的個體差異，也就是說，腦電波在不同的正常人中也存在著不同的表現。

神經細胞具有生物電活動，單個細胞的跨膜靜息電位大約為-70mV，是K離子外流形成的靜息電位。神經元接受一個大于一定閾值的刺激時，該處的極化膜對Na離子的通透性突然增大，大量的Na離子迅速進入膜內，使得膜內點位急速上升，產生膜的除極化，同時形成一個膜電位，即動作電位。神經元的不同部分膜電位的持續時間有所不同，范圍是1~5ms。軸突的動作電位盡管發放頻繁且具有很高的幅度，但由于持續時間短，通常不能產生能被電極記錄到的信號。

電極和神經細胞的距離是影響EEG幅度的主要因素，電極離神經細胞越遠，幅度衰減越厲害。其次，活動區域的局部結構也會影響電位紀錄的大小。

因為腦脊液、顱骨和頭皮等體積導體的作用，在頭皮上任何記錄的EEG都可能包含了多個腦取得混合活動過程，因此EEG的空間分辨率非常有限。但由于電信號是瞬時傳播擴散的，EEG對神經事件幾乎沒有延時作用，具有很高的事件分辨率。

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1.4 同步采集的神經生理基礎

fMRI通過測量代謝和血氧動力學響應信號來推知相關的神經活動改變，并伴隨有神經血管耦合和MRI物理測量等中間環節，是神經活動的間接觀察。

目前的研究是通過侵入式或非侵入式的多模態測量，探討電生理信號和神經成像信號間的關系。

集中于研究 測量和解釋靜息態出現的大幅度自發震蕩 這種信號，靜息狀態下的fMRI信號震蕩在廣大腦區表現出相關，引發功能連通性分析的新方法。例如，不管是采用單個體素的fMRI時間序列或是神經活動，都可以發現與V1區高度相關的地方出現在視覺皮層的廣泛區域，而且在兩個半球對稱出現。例如，在相隔甚遠的兩個腦區，靜息態fMRI信號的功能連通性與神經活動慢速自發振蕩的同步性高度相關。

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第2章 同步EEG-fMRI的發展歷史

2.1 同步EEG-fMRI產生的背景

2.1.1 腦電

• ?節律在頭部各處均可記錄到，尤其是頂枕區最顯著。它和視覺活動有關。進入睡眠時，該節律完全消失；但在覺醒安靜閉幕時，出現的數量最多且振幅最高。它的頻率、振幅和空域分布等因素是反映大腦機能狀態的重要指標。隨著腦發育成熟或者年齡的變化，數量逐漸增多，頻率逐漸提高，到成年期趨于穩定，而到了老年期會逐漸變慢。
• 節律，每秒1~3個周期，主要出現在顳葉和枕葉。在熟睡、嬰兒、嚴重器質性腦病患者、進行過皮質下橫切手術（這種手術使得大腦皮質和網狀激活系統產生了功能性分離）的動物的腦電中都能觀察到，說明它與丘腦的非特意傳入系統有關。
• 節律頻率為4~7Hz，在頂葉和顳葉較為明顯，與心境狀態有密切關系。從兒童到成人，頻率逐漸增加而振幅逐漸降低，出現數量逐漸減少。但是酒后欣快感提高的被試、有些精神病患者，以及老年人極為顯著。
• 節律頻率為14~30Hz，在額葉最易出現。情緒不穩定、應用鎮靜催眠劑等藥物時，該節律常會增多，振幅增高。
• 節律頻率為25~100Hz（通常處于40左右），對物體的神經表達是通過負責不同部位特征編碼的節律活動進行的。清醒狀態下記錄到的新皮層和海馬區域之間? 該節律冬綠的可變性明顯比慢波睡眠或快速眼動睡眠期 強。該節律被認為在 目標的表達、注意、記憶、意識和知覺綁定中發揮了重要作用，是形成意識知覺的基礎。

2.1.2 事件相關電位（ERP）

• EEG是未接受外來刺激下的腦電活動。
• EP。當有外界刺激傳入大腦時，可產生刺激引起的特異性反應。這種電活動被稱為誘發電位（evoked potential，EP），通常幅度很小，為5~10V，難與自發EEG分開。但可以 采用 多次重復刺激的反應疊加 來解決等。（原理是：自發EEG是不規則的隨機事件，多次疊加時相互抵消。而EP各式波形基本相同，疊加后EP被顯現出來）
• EP是感覺引起的誘發電位，是腦內皮層初期活動的反映。
• ERP是人們對某種認知刺激事件進行信息加工時，所誘發的電位活動。多年的研究形成了多個出現條件明確、與心理因素的關系比較清楚的基本成分，通過不同成分的功能可以區分認知過程中的階段。有很多優點.......缺點是：空間分辨率低。

2.1.3 功能磁共振（fMRI）

后來采用事件設計，可以在研究短時刺激中，得到很高的時間分辨率。通過重復實驗，可以借由統計學方法判斷哪些腦區在這個過程中有信號的變化，從而找出是哪些腦區在執行這些思考、動作或經歷。

大部分的fMRI成像都用BOLD的對比原理來偵測腦中的反應區域，但是得到的信號相對并且非定量。在臨床研究中，采用實驗狀態與對照狀態統計相減的辦法，認為相減后得到的興奮（BOLD信號增強）區域就是與特定腦功能相關的區域，BOLD信號會隨著血氧含量的減少或血容量的增加而降低。

近年來，利用腦的內源性振蕩來探索靜息狀態網絡發（resting-state network，RST）展較快。

fMRI優點：高時間分辨率、高信號保真度、對被試無創，適合多次重復實驗；局限性：是對大腦活動的間接測量，無法有效回答有關認知機制的問題。

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2.1.4 同步采集

EEG和fMRI都有本身的優勢：EEG的時間分辨率和fMRI的空間分辨率

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的读《同步脑电-功能磁共振（EEG-fMRI）原理与技术》-第一篇的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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