酒精中毒对认知控制过程中额叶神经同步性的干扰

摘要

本实验采用解剖学约束的脑磁图（aMEG）方法，研究急性酒精中毒状态下认知控制参与过程中脑部振荡动态及远距离功能同步性。

摘要

决策依赖于广泛分布的、主要是前额脑区之间的动态相互作用。大量来自功能磁共振成像（fMRI）研究的证据表明，前扣带皮层（ACC）和外侧前额叶皮层（latPFC）是支持认知控制的关键脑区节点。然而，由于fMRI的时间分辨率有限，无法准确反映这些脑区之间假定相互作用的时间进程和本质特征。本研究将时间精度高的脑磁图（MEG）信号的分布式源建模与结构磁共振成像（MRI）相结合，以 "脑部影像" 以：（1）估算参与认知控制的皮层区域"其中"），（2）表征其时间序列（"当"），以及（3）实时量化其神经相互作用的振荡动态。Stroop干扰与前扣带皮层（ACC）在冲突检测期间更高的事件相关theta频段（4–7 Hz）功率相关，随后在信息整合与反应准备阶段，ACC和外侧前额皮层（latPFC）对认知负荷表现出持续的敏感性。相位锁定分析揭示了这些脑区之间存在共振荡相互作用，表明在诱发冲突的不一致试次中，theta频段的神经同步性增强。这些结果证实，theta振荡是实现远距离神经同步的基础，而这种同步对于在认知控制过程中整合自上而下的调控信息至关重要。脑磁图（MEG）直接反映神经活动，因此相较于对血管活性混杂因素敏感的功能性磁共振成像（fMRI），更适用于药理学干预研究。在本研究中，健康的社会饮酒者在被试内设计中分别接受了中等剂量酒精与安慰剂处理。急性酒精中毒减弱了对Stroop冲突的theta功率反应，并破坏了ACC与latPFC之间的共振荡活动，证实酒精会损害支持认知控制的神经同步性。酒精干扰了目标导向行为，可能导致自我控制能力下降，从而促进强迫性饮酒行为。 总之该方法可揭示认知加工过程中的实时相互作用，并能表征相关神经网络对药物干预的选择性敏感性。

引言

本研究的总体目标是探讨急性酒精中毒对认知控制过程中大脑振荡动力学时空变化及远距离功能整合的影响。所采用的多模态成像方法结合了脑磁图（MEG）和结构磁共振成像（MRI），旨在以高时间精度并在交互系统水平上揭示决策行为的神经基础。

灵活的行为使人能够适应不断变化的情境需求，并根据个体的意图和目标，在不同任务和要求之间进行策略性切换。抑制自动化反应，转而执行与目标相关但非习惯性的行为，是认知控制的一个关键方面。大量证据表明，这一功能主要由以额叶皮层为主的神经网络支持，其中前扣带皮层（ACC）是该交互网络的核心节点^1,2,3,4。尽管ACC与外侧额叶皮层之间丰富的解剖连接已得到充分描述^5,6，但在认知控制、反应选择与执行过程中，这些脑区之间通信的功能特征仍知之甚少。

极具影响力的冲突监控理论^7,8提出，认知控制源于内侧与外侧前额叶皮层之间的动态相互作用。该理论认为，前扣带皮层（ACC）监控竞争性表征之间的冲突，并激活外侧前额叶皮层（latPFC）以实施反应控制并优化行为表现。然而，这一理论主要基于采用血氧水平依赖（BOLD）信号的功能性磁共振成像（fMRI）研究。fMRI-BOLD信号是一种出色的空间定位工具，但其时间分辨率有限，因为它反映的是由神经血管耦合介导的局部血流动力学变化。因此，BOLD信号的变化发生在比底层神经活动（毫秒级）慢得多的时间尺度上（以秒计）⁹。此外，BOLD信号对酒精的血管活性效应敏感¹⁰，可能无法准确反映神经活动变化的幅度，这使其在急性酒精中毒研究中的适用性受限。因此，内侧与外侧前额叶皮层之间假定的相互作用及其对酒精中毒的敏感性，需要通过能够以高时间精度记录神经事件的方法加以检验。脑磁图（MEG）具有优异的时间分辨率，因为它直接反映突触后电流。本研究采用的解剖约束MEG（aMEG）方法是一种多模态方法，将MEG信号的分布式源建模与结构磁共振成像（MRI）相结合。该方法能够估计与冲突和饮料相关的脑振荡变化发生的位置，并揭示参与的神经成分的时间序列("何时")。

决策依赖于分布式脑区之间的相互作用，这些脑区会动态参与以应对认知控制需求的增加。评估两个皮层区域之间长程同步性事件相关变化的一种方法是计算它们的相位耦合，以此作为其共震荡的指标^11,12。本研究采用相位锁定分析，通过考察前扣带皮层（ACC）与外侧前额叶皮层（latPFC）之间的共震荡相互作用，来检验冲突监控理论的基本假设。Theta频段（4 - 7 Hz）的神经震荡与认知控制相关，被认为是一种支持自上而下认知加工所需长程同步性的基本机制^13,14,15,16。这类震荡随任务难度在前额叶区域产生，并可因急性酒精中毒而显著减弱^17,18,19,20。

长期过量饮酒与多种认知缺陷相关，其中前额叶神经环路尤其容易受到影响^21,22。急性酒精中毒在任务难度增加、存在模糊性或引发反应冲突的条件下，会损害认知控制能力^17,23,24。酒精通过影响决策过程，可能干扰目标导向行为，导致自我控制能力下降和饮酒行为加剧，还可能增加交通事故或工作相关事故的风险^25,26,27。本研究采用aMEG方法，以优异的时间分辨率测量theta频段的振荡活动以及主要执行脑区之间的同步性。通过Stroop干扰任务诱发的认知冲突，考察酒精对theta活动以及前扣带皮层（ACC）与外侧前额叶皮层（latPFC）之间共振荡的影响。我们假设，认知负荷的增加与更高的功能同步性相关，而酒精引起的内侧与外侧前额叶皮层同步活动失调，是认知控制功能受损的神经基础。

方案

本实验方案已获得加利福尼亚大学圣地亚哥分校人类受试者保护委员会的批准。

1. 人类受试者

1. 招募健康的右利手成年志愿者，获得其知情同意，并根据纳入/排除标准进行筛选。
   注意：本研究招募了20名年轻健康的个体（平均年龄 ± 标准差 [SD] = 25.3 ± 4.4 岁），其中包括8名女性，均适量饮酒，从未因药物或酒精相关违法行为接受过治疗或被逮捕，短式密歇根酒精依赖筛查量表²⁸显示无酒精依赖相关症状，不吸烟且不使用任何非法物质，无神经精神疾病史或任何当前健康问题，未服用任何药物，且体内无铁磁性物体或植入物。

2. 实验设计

1. 对每位参与者进行四次扫描，包括三次脑磁图（MEG）检查（一次无饮料的入门检查，以及两次以交叉平衡方式给予酒精和安慰剂的实验性饮料检查）和一次结构磁共振成像（MRI）扫描。
   注意： 在此类被试内设计中，参与者通过参加酒精和安慰剂两种实验条件，自身即作为对照。该设计通过减少大脑解剖结构、活动模式及酒精代谢个体差异的影响，降低了误差方差并提高了统计效能。

3. 采集脑磁图扫描数据

1. 进行适应性训练 session。
   1. 在初次介绍性会话期间，发放问卷以获取有关参与者病史、饮酒模式及酒精使用障碍相关症状严重程度的更多信息^28,29，酗酒家族史³⁰，以及包括冲动性在内的人格特质^31,32.
   2. 按照下文步骤3.2、3.3和3.5中所述的方案，在MEG扫描仪中进行初次记录。不提供任何饮品。向参与者解释任务内容并运行练习版本，使其事先熟悉任务流程。
      注意： 实验情境的适应旨在尽量减少情境诱发的兴奋对实验结果的潜在影响³³从而在该维度上使后续的酒精与安慰剂实验环节保持一致。
2. 进行酒精/安慰剂实验阶段。
   注意： 在酒精和安慰剂实验环节中，除所给予的饮品不同外，其余实验步骤均保持一致。通过随机分配，对一半参与者先给予酒精饮品，另一半先给予安慰剂饮品，以平衡饮品顺序的影响。
   1. 受试者到达MEG实验室后，先将其送入扫描仪进行简短的测试扫描，检查通道是否存在可能的磁化现象。测量其体重。使用电子呼气分析仪对其进行筛查。询问其是否遵守实验前48小时内禁酒、3小时内禁食的要求。
   2. 收集所有参与者的尿液样本进行多种药物联合检测，排除任何药物检测结果为阳性的参与者。此外，对女性参与者进行尿液妊娠检测，排除检测结果为阳性或怀疑可能怀孕的个体。
   3. 通过要求参与者在标准化量表上评估其即时感受和状态，来考察酒精主观效应的动态变化³⁴ 饮酒前，以及实验期间另外两个时间点——呼气酒精浓度（BrAC）曲线上升支（饮用饮料后约15分钟）和下降支（MEG记录结束后）。
   4. 在正式记录前，使用笔记本电脑和刺激呈现软件对参与者进行一次斯特鲁普任务的练习运行，以确保其理解任务要求。
      注意： 该版本的斯特鲁普任务结合了阅读与颜色命名（图1）。一致条件由颜色词（例如 red、green、blue、yellow）组成，这些词以与其词义相匹配的字体颜色印刷（例如，单词“red”以红色显示） "绿色" 以绿色打印）。在不一致条件下，颜色词以其含义不匹配的颜色打印（例如，词语“红色” "绿色" 以黄色显示）。要求参与者在词语以彩色显示时，按下与字体颜色相对应的四个按钮之一；当词语以灰色显示时，则按下与该词语含义相对应的按钮^18,23.
3. 准备进行脑磁图/脑电图记录。
   注意： MEG数据采集的详细信息已在先前的出版物中描述过^35,36,37.
   1. 将脑电帽或单个脑电电极放置于受试者头部，并确保所有电极的阻抗均低于 5 kΩ。
   2. 将头部位置指示器（HPI）线圈分别贴在前额两侧以及双耳后方。
      注意： 此步骤专用于Neuromag系统。
   3. 数字化标记点（包括鼻根点和两个耳前点）、HPI线圈位置、EEG电极位置，并获取大量额外的头部轮廓点（约200个），用于与解剖MRI图像进行共配准图2).
4. 给予饮料。
   1. 根据每位参与者的性别和体重，将优质伏特加与冷藏橙汁（体积分数25%）混合，制备酒精饮料（男性按0.60 g/kg酒精量，女性按0.55 g/kg酒精量），目标呼气酒精浓度（BrAC）为0.06%³⁸在杯口用伏特加擦拭过的玻璃杯中倒入等体积的橙汁作为安慰剂饮料。要求受试者在约10分钟内饮用完毕。
   2. 饮用后约15分钟开始，使用呼气酒精检测仪检测参与者的呼气酒精浓度（BrAC），之后每5分钟检测一次，直至进入记录舱室。由于屏蔽室内不可使用电子设备，需采用唾液酒精检测法，该方法包括用棉签采集唾液样本，然后将棉签插入检测容器中以获得读数。
5. 采集 MEG/EEG 数据。
   1. 将受试者舒适地安置在扫描仪中。由于特别关注前额叶活动，需确保受试者的头部与头盔顶部接触，并沿前部对齐。
      注意： 头部位置会显著影响活动估计结果，因为传感器与脑源之间的距离增大时，磁场梯度会随距离的立方而衰减³⁹.
   2. 连接HPI线圈及所有电极至扫描仪上对应的输入端口。将反应盒放置在受试者能够舒适按压按钮的位置。确认投影屏幕上前端受试者视野中的字体清晰可辨。
   3. 返回控制室后，检查对讲系统是否正常工作。提醒受试者尽量减少眨眼，并避免包括说话引起头部运动在内的任何动作。指导受试者通过按响应按钮来回答问题。
   4. 检查所有反应和刺激触发信号是否被正确记录。检查所有通道是否存在伪迹，并测量受试者在扫描仪中的头部位置。
   5. 开始数据采集并启动任务。每约2.5分钟给予一次休息，以缓解眼睛疲劳。任务完成后保存数据，并引导受试者离开记录舱。
   6. 当受试者离开扫描仪后，采集约两分钟空房间的数据，以测量仪器噪声。
   7. 要求参与者评估任务的主观难度、所摄入饮料的内容、自身感觉的醉酒程度，以及即时的情绪和感受³⁴.

4. 结构 MRI 的图像采集与皮层重建

1. 获取每位参与者的高分辨率解剖 MRI 扫描图像，并使用 FreeSurfer 软件重建每位参与者的皮层表面^40,41,42。
2. 利用从分割后的结构 MRI 图像中提取的颅骨内表面，生成容积导体的边界元模型，该模型用于提供与每个个体脑解剖结构一致的正向解模型^43,44。

5. MEG 数据分析

注意：使用解剖约束的脑磁图（MEG）方法分析数据，该方法利用每位参与者的重建皮层表面，将源估计限制在皮层带状区域^40,45,46。该分析流程依赖于自定义函数，并需调用若干公开可用的软件包，包括 FieldTrip⁴⁷、EEGLab⁴⁸ 和 MNE⁴⁹。

1. 数据预处理期间，使用较宽泛的带通滤波器（例如 0.1 - 100 Hz），并以刺激 onset 为参考对数据进行分段，每段包含两端的填充区间（例如，感兴趣区间为去除填充后 -300 至 800 ms，则分段范围设为 -600 至 1100 ms）。
2. 通过目视检查及基于阈值的剔除方法，去除噪声通道、平坦通道以及包含伪迹的试验。使用独立成分分析⁴⁸去除眼动和心跳伪迹。剔除反应错误的试验。
3. 应用 Morlet 小波（图 3）⁴⁷，以 1 Hz 为步长计算每个试验在 theta 频段（4 - 7 Hz）的复数功率谱。进一步去除额外伪迹。利用空房间数据计算噪声协方差。
4. 利用三维（3D）头部数字化信息将 MEG 数据与 MRI 图像进行共配准（图 2）。
   1. 打开 MRIlab 模块。
   2. 选择文件| 打开| 选择被试的结构 MRI 数据。
   3. 选择 文件| 导入| Isotrak 数据| 选择 raw data.fif 文件| 生成点。
   4. 选择 窗口| 标记点| 调整解剖标记点，直至 MEG 数据与 MRI 图像的共配准结果可接受。
   5. 选择 文件| 保存。
5. 采用谱动态统计映射方法^18,50，计算经噪声敏感性归一化的 theta 源功率与相位估计值。将事件相关 theta 源功率表示为相对于基线的信号变化百分比。
6. 通过将每位被试的估计值映射到平均皮层表征上，生成事件相关 theta 源功率的组平均图⁵¹。
7. 在膨胀的平均皮层表面上可视化源估计结果，以增强脑沟内估计值的可见性（图 4）。
   1. 打开 MNE 软件。
   2. 选择 文件| 加载表面| 加载膨胀的组平均 FreeSurfer 皮层表面。
   3. 选择 文件| 管理叠加图| 加载 stc| 加载组平均数据| 从可用叠加图中选择已加载文件。
   4. 将叠加图类型设为 其他。
   5. 调整 颜色标尺阈值| 显示。
   6. 查看 脑部动态图，通过识别激活最强的脑区和时间窗，分析处理过程的空间-时间阶段。
8. 基于整体组平均估计结果，创建无偏区域（ROIs），纳入源功率最显著的皮层位置。计算每位被试、每种条件及每个 ROI 的时间进程（图 5）。
9. 将获得的 theta 源功率估计值提交至统计分析。
   1. 从每个 ROI 的时间进程中提取感兴趣的时间窗，进行方差分析（ANOVA），将饮料类型（酒精、安慰剂）和试验类型（一致、不一致）作为被试内因素。使用非参数基于簇的置换检验⁵²，分析事件相关 theta 功率及相位锁定值（PLV）在饮料类型和条件间的差异。
10. 通过计算相位锁定值（PLV）¹²，估计前扣带回（ACC）与外侧前额叶皮层（latPFC）主要激活焦点之间长程同步性的任务相关变化。将 PLV 表示为相对于基线的变化百分比。
    注意： PLV 是衡量两个 ROI 间相位角在多次试验中一致性程度的指标，反映二者在特定频率下实时共振荡的程度（视频 1）。
11. 计算 ROI 的 MEG 活动估计值、行为表现指标与问卷评分之间的相关性，以辅助解释观察到的结果。

结果

行为结果表明，Stroop 任务成功地调控了反应干扰，因为在不一致试验中，准确性最低，反应时间最长（图6）。酒精中毒降低了准确性，但未影响反应时间¹⁸。

采用aMEG方法揭示的theta频段活动的时空序列总体上与该类任务中认知功能的普遍接受模型一致。如脑部动态图所示（影片2），视觉皮层在刺激开始后约100毫秒被激活，随后出现从后部到前部的激活模式，在约300毫秒后的认知整合阶段主要涉及额叶皮层。前扣带皮层（ACC）对不一致（INC）、高冲突试验尤为敏感，表明其在冲突监测过程中的参与。ACC是认知控制相关任务中theta振荡的主要发生源，但在约350-600毫秒的整合阶段，外侧前额叶皮层（latPFC）也处于活跃状态。在反应准备阶段，运动皮层的激活在约600毫秒后可见（影片2B）。...

讨论

本研究采用的多模态成像方法包括对时间精度高的脑磁图（MEG）信号进行分布式源建模，同时结合由每位受试者结构磁共振成像（MRI）得出的逆向估计空间约束。aMEG 方法结合了这两种技术的优势，有助于揭示振荡动力学的时空阶段以及支持认知控制的远距离整合机制。与其他神经影像技术（如功能磁共振成像BOLD信号）相比，该方法具有更高的时间精度；由于fMRI-BOLD通过神经血管耦合间接反映神经活动变化，其时间分辨率在秒量级⁹。相比之下，MEG信号具有毫秒级的时间精度，使得研究神经处理的不同阶段成为可能，本研究即展示了这一点。aMEG模型假设MEG信号来源于大脑皮层表面的分布式源，当这些源通过结构MRI图像重建时，可为活动估计提供空间约束^45,53。这些空间估计不仅可用于研究局部激活，还可用于研究以相位锁定形式表现的、交互式网络水平上的远距离通信^16,20。此外，由于药理...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Elekta Neuromag	Elekta		脑磁图系统
1.5 T GE EXCITE HG	通用电气		磁共振成像扫描仪
金杯电极	OpenBCI		用于可选同步脑电图记录的脑电图电极
Prep Check 阻抗计	General Devices		检测电极阻抗
HPI 线圈	Elekta		用于共定位的头部位置指示线圈
Alcotest	Draeger		呼气酒精检测仪
光纤反应按键板	Current Designs, Inc		与脑磁图兼容的反应按键装置
Grey Goose 伏特加	Bacardi		酒精实验阶段使用伏特加
橙汁	Naked		橙汁在安慰剂实验阶段作为饮品使用，也用于在酒精实验阶段与伏特加混合
Discover 药物检测试纸卡	American Screening Corp	多种药物联合检测试纸
QED 唾液酒精检测试纸	OraSure Technologies	唾液酒精检测
尿液 hCG 检测试纸	Joylive		妊娠检测
简式密歇根酒精筛查量表	Selzer 等，1975		酒精依赖筛查问卷
Zuckerman 感觉寻求量表	Zuckerman，1971		问卷：去抑制性、新奇寻求及社交化特质
Eysenck 冲动性量表	Eysenck & Eysenck，1978	问卷：冲动性特质
Eysenck 人格问卷	Eysenck & Eysenck，1975	问卷：人格特质
Biphasic Alcohol Effects Scale	Martin 等，1993		问卷：饮酒后主观感受的双相效应