儿童高密度脑电图记录的皮层源分析

摘要

近年来，人们对认知神经科学研究中头皮记录的电活动的皮层源定位越来越感兴趣。本文介绍了在伦敦婴儿实验室如何对2岁及以上儿童进行高密度脑电图（EEG）数据的采集，以及如何处理记录数据以进行皮层源估计。

摘要

脑电图（EEG）传统上被认为是一种时间分辨率高而空间分辨率低的神经影像技术。近年来，生物物理建模和信号处理技术的进步使得研究人员能够利用其他成像模态（如提供高空间分辨率的结构磁共振成像，MRI）的信息，以克服这一限制¹。这对于需要在时间和空间域均具备高分辨率的研究尤为有用。此外，由于脑电记录操作简便且成本较低，在研究对功能磁共振成像（fMRI）耐受性较差的人群（如年幼儿童）时，脑电图往往是首选方法。然而，为了探究涉及的神经基础，仍需借助结构磁共振成像提供的解剖学信息。目前大多数脑电分析软件包使用的是基于成人解剖结构的标准头部模型。这些模型在用于儿童时准确性有限²，因为在发育过程中，头部组织的构成和空间构型会发生显著变化³。 

本文概述了我们近期利用基于个体结构MRI扫描或年龄特异性头部模型来重建高密度脑电图皮层源的研究工作。本文描述了如何 在伦敦婴儿实验室，对儿童群体进行脑电图（EEG）记录的采集、处理与分析，包括实验室设置、任务设计、EEG预处理、MRI处理，以及EEG通道水平和源水平分析。 

引言

美国总统巴拉克·奥巴马将人类大脑描述为科学发现的下一个前沿领域，对健康和经济具有重要意义³ （http://www.whitehouse.gov/share/brain-initiative）。然而， 与自然科学的其他领域一样，神经科学的进步依赖于方法学和分析技术的发展。在人类脑功能研究中，两种常用的非侵入性工具是磁共振成像（MRI）和脑电图（EEG）。这些工具利用不同的物理特性，对脑功能提供各自独特的见解，并具有不同的优势与局限性。MRI 利用水分子在磁场中的磁性特性来获取活体组织的图像。受试者需要被置于高强度磁场中，检查过程中活动受到限制，且需耐受因磁场快速变化所产生的噪声。除了可获得结构图像外，MRI 还可通过测量血氧水平的变化来研究脑功能（fMRI）。总之，MRI 可提供高达 0.5 mm 的相对较高的空间分辨率³ 采用现代高场强扫描仪和优化参数⁴相比之下，fMRI的时间分辨率受限于BOLD反应的缓慢动力学，而BOLD信号仅间接反映神经活动的高时间动态性。^5,6.

另一方面，脑电图（EEG）通过放置在头皮上的电极来测量神经元活动所引起的电活动变化。近年来EEG技术的进步使得传感器能够快速、简便地应用于短期或长期、静止状态或活动状态下的记录。由于EEG的限制较少，因此对于某些难以耐受MRI环境的人群（如儿科、部分老年科及精神科人群）而言，EEG成为首选方法。EEG....

方案

1. 脑电图设计 & 儿童事件相关电位实验

注意：本文设计了一个简单的实验，可用于研究幼儿的面孔加工能力。下文将描述该实验，并解释如何使用 MATLAB R2012b 和 Psychtoolbox V3.0.11^23,24  来实施该实验。本示例使用了来自 NimStim 情绪性面部表情图库²⁵ 的图片。该刺激集可应研究需求申请获取（http://www.macbrain.org/resources.htm）。

1. 将RGB图像转换为灰度图像，以减少刺激之间的差异。参见表1。注意：这些命令需要使用图像处理工具箱（http://www.mathworks.co.uk/products/image/）。可通过文件交换平台（https://www.mathworks.co.uk/matlabcentral/fileexchange）找到免费替代方案。
2. 使用实验控制软件，通过一系列命令实现实....

结果

为婴儿和儿童设计事件相关电位（ERP）实验通常具有挑战性，因为他们的耐受能力有限，难以接受长时间且重复的实验³⁰。当实验者计划进行源定位重建时，这一问题会进一步加剧，因为准确的源重建需要较高的信噪比¹。图1展示了一种可用于年幼儿童的面孔加工机制研究的实验方案。该实验范式经过以下调整：a）在刺激呈现期间尽量减少眨眼和眼动，因为儿童控制眼动的能力弱于成年受试者；b）在刺激间间隔结束后加入注意力吸引刺激，以提高实验的吸引力。通过在刺激出现前短暂呈现一个注视十字，引导儿童将注意力集中于屏幕中央，从而控制眨眼和眼动。此外，刺激持续时间设定为500毫秒，既允许对刺激产生有意识的知觉，又可最大限度减少通过眼动扫描图像的时间。注意力吸引刺激由儿童友好的图像配合同步声音组成。可随机选用不同的注意力吸引刺激，以保持任务对儿童的新颖性和趣味性。当实验者通过监控系统确认儿童再次注视屏幕中央时，即可启动下一次试验。此外，可借助故事帮助年龄较大的儿童维持对屏幕的注意力。在脑电图（EEG）记录前，通常建议先让儿童练习任务，以确保其理解实验要求。练习阶段中的筛选问题或得分可在后续分析中作为协.......

讨论

本文介绍了在适用于儿童的标准事件相关电位（ERP）范式中，利用基于年龄匹配的平均MRI模板的边界元模型和深度加权最小范数估计方法，对高密度脑电图（EEG）进行记录与分析，以重建皮层源。在此范式中，呈现人脸图片和打乱的人脸图片。不同研究者曾采用该范式探究面孔加工机制在发育过程中的发展变化³⁵。在通道水平上，相对于打乱人脸条件，人脸条件在右侧枕颞部通道上表现出更负的偏转。其拓扑分布、潜伏期和反应特征与N170成分一致³⁴。既往的源定位研究及同步EEG-fMRI研究报道，梭状回可能是产生N170反应的主要源区。本分析结果表明，在个体参与者水平上，采用深度加权的边界元模型（BEM）进行源反演，可有效定位面孔-打乱面孔范式中梭状回的源活动。在发育研究中，若无法获取个体解剖结构信息，则使用基于个体参与者解剖结构的头模型或基于年龄匹配的平均解剖扫描图像，将有助于实现最精确的源定位²。此外，可依据解剖学知识或自动分区算法确定感兴趣区域，以进一步分析特定皮层区域的事件相关反应。

目前，源重建在发育样本中存在若干局限性。首先，基于不同年.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高密度脑电图传感器网（128 或 256 通道）	128导HydroCel地理定位传感器网	美国俄勒冈州，Electrical Geodesic公司
EEG 高阻抗放大器	NetAmps 200	美国俄勒冈州，Electrical Geodesic公司
数据采集计算机	PowerMac G4	Apple 公司，加利福尼亚州，美国
刺激呈现计算机	Optiplex 745	Dell Computers Inc.，德克萨斯州，美国
刺激呈现软件	MATLAB R2012b 配合 PsychToolBox	Brainard 等 1997
脑电图记录软件	NetStation 4.5.1	美国俄勒冈州，Electrical Geodesic公司
脑电图分析软件	MATLAB R2012b	The Mathworks Inc.
	EEGLAB	德洛姆等人 等。 2004
	脑风暴	Sylvain 等 2001
MRI 处理软件	FreeSurfer	Fischl 等 2004
	OpenMEEG	Gramfort 等 2010
德洛姆，A. & Makeig, S. EEGLAB：一个用于分析单次试验EEG动态（包括独立成分分析）的开源工具箱 神经科学方法杂志, <强>134(1), 9–21, (2004).
Sylvain, B., John, C., Dimitrios, P., & Richard, M. Brainstorm：一种用户友好的 MEG/EEG 分析应用程序 计算智能与神经科学, 1–13, (2011).
Fischl, B. 等 自动分割人类大脑皮层 大脑皮层, <强>14(1), 11–22, (2004).
格拉蒙福，A.，帕帕多普洛，T.，奥利维，E. & Clerc, M. OpenMEEG：用于准静态生物电磁学的开源软件。 生物医学工程在线, <强>9(1), 45, (2010).
布拉德福德，D. H. 心理物理学工具箱 空间视觉, (1997).