海马尖波涟漪（SPW-Rs）与发作间期癫痫样放电（IEDs）在小鼠和人类中的时空模式区分

《Nature Communications》：Spatiotemporal patterns differentiate hippocampal sharp-wave ripples from interictal epileptiform discharges in mice and humans

本研究针对人类海马涟漪检测中因空间采样粗糙和癫痫样活动干扰导致的准确性难题，通过对比APP/PS1小鼠高分辨率记录与癫痫患者颅内信号，开发了基于窄带频谱峰值（>60 Hz）筛选和UMAP波形聚类的半自动化涟漪识别流程（ripmap）。研究发现海马涟漪具有CA1区域局限性和窄带高频振荡特征，显著区别于IEDs的广泛传播性和宽频带特性，为人类记忆研究提供了可靠的神经振荡标识。

　　

大脑中海马体的尖波涟漪（Sharp-Wave Ripples, SPW-Rs）被认为是记忆巩固的关键环节。在啮齿类动物中，这些短暂的高频振荡（100-200 Hz）伴随着特征性的尖波，在睡眠和安静休息期间大量出现，帮助大脑回放和巩固白天的经历。然而，在人类研究中，准确识别海马涟漪一直充满挑战。这主要源于几个现实问题：临床常用的脑内宏观电极空间分辨率低，无法精确区分海马的不同亚区（如CA1、齿状回DG）；记录信号常被癫痫患者脑中常见的发作间期癫痫样放电（Interictal Epileptiform Discharges, IEDs）所污染，后者同样包含高频成分；加之缺乏统一、可靠的检测标准，导致不同研究报告的涟漪频率、形态乃至功能意义存在很大差异。这种混乱局面严重阻碍了我们将基于动物实验的记忆理论转化为对人类记忆机制的理解。

为了突破这一瓶颈，由Anna Maslarova和Jiyun N. Shin作为共同第一作者，Gyorgy Buzsaki和Anli Liu作为共同通讯作者领导的研究团队，在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究。他们巧妙地利用APP/PS1阿尔茨海默病模型小鼠（该模型能同时产生生理性的SPW-Rs和病理性的IEDs，且海马解剖结构保存完好）作为“金标准”参照，通过超高密度（1024通道）电极记录，精确刻画了小鼠海马SPW-Rs和IEDs在空间分布、频谱特征和局部场电位（LFP）形态上的本质区别。随后，他们将从小鼠研究中总结出的关键判别标准应用于13名接受癫痫术前评估的患者的颅内记录数据（包括宏观电极和微电极），开发并验证了一套名为ripmap的半自动化涟漪检测与筛选工具包。这项研究为在人类大脑中准确区分生理性记忆痕迹（涟漪）和病理性脑电活动（IEDs）提供了坚实的方法学基础和清晰的实践指南。

本研究的关键技术方法主要包括：利用1024通道SiNAPS探针进行小鼠海马全亚区的高密度电生理记录；通过电流源密度（CSD）分析进行海马层状结构的定位；使用FOOOF算法进行频谱的周期性/非周期性成分分离以准确提取窄带峰值；开发基于均匀流形近似与投影（UMAP）的无监督聚类工具箱（ripmap）进行事件波形分类与筛选；对小鼠和人类神经元进行尖峰排序（Kilosort）并分析其在不同事件期间的调制情况。人类数据来源于13名药物难治性癫痫患者术中长期植入的Behnke-Fried宏-微电极混合记录。

研究结果

Challenges of human SPW-R detection compared to rodents and key definitions

研究首先对比了啮齿类与人类记录的技术差异。小鼠可使用微米级精度的探针同时记录海马所有亚区和细胞层，从而清晰看到SPW-Rs特定的层状分布模式。而人类临床电极采样尺度为毫米级，且微电极在植入后位置不确定，难以精确定位到特定层（如CA1锥体细胞层），这使得信号分析变得复杂，容易受到IEDs等多种高频活动的干扰。

Rodent SPW-Rs are localized to CA1 pyramidal layer

通过对APP/PS1小鼠的高密度记录，研究证实SPW-Rs的能量严格局限于CA1锥体细胞层，随着与锥体层距离的增加，其能量迅速衰减。在CA3和齿状回（DG）检测到的高频事件与CA1的SPW-Rs时间耦合性很弱，且特征重叠度高，表明在这些区域进行自动检测会产生大量假阳性。

Distinct features of rodent IEDs

与SPW-Rs形成鲜明对比，IEDs表现为幅度高出数倍的短暂、大振幅LFP放电，同时出现在所有海马区域。IEDs的LFP形态表现为一个尖锐的大振幅负向棘波 followed by 一个慢波，缺乏涟漪样的连续振荡周期，其频谱呈现宽频带（20-400 Hz）的功率提升，而非窄带峰值。

Early selection of putative channels with a narrowband spectral peak >60 Hz guides human human ripple detection

将从小鼠获得的洞见应用于人类数据，研究人员提出，一个关键的筛选步骤是选择那些在事件触发功率谱中显示出大于60 Hz窄带峰值的通道。人类宏观电极的峰值频率呈双峰分布（高于或低于60 Hz）。视觉检查证实，缺乏>60 Hz峰值的通道检测到的事件多为假阳性。这一步骤可以排除约40%的候选通道。

Semi-automated separation of ripples and false positives

即使经过上述筛选，候选事件中仍可能包含未被识别的IEDs或其他噪声。为此，研究团队开发了ripmap工具箱，它利用UMAP对事件波形进行降维和可视化聚类。UMAP能够将波形相似的事件聚集在一起，从而将涟漪事件与IEDs、噪声等假阳性事件分离开来。进一步，ripmap还提供了将UMAP云投影到一维轴并进行分箱的功能，方便用户可视化检查每个箱内事件的平均波形和个体事件，进行更精细的筛选。该方法显示出较高的评分者间一致性。

Similar ripple and IED features in rodents and humans.

对经过ripmap筛选后的高置信度人类涟漪事件的分析表明，它们与小鼠SPW-Rs具有相似的特征：窄带功率提升（峰值在80-160 Hz之间）、LFP上可见多个振荡周期，并且主要分布在CA1和下托（Subiculum）区域，而在DG电极上很少见。IEDs则依旧表现为宽频带功率提升，且遍布所有海马亚区。

Relationship between human ripples on macrocontacts and microwires

研究还发现，临床常用的宏观电极确实能够检测到涟漪，其与邻近微电极检测到的涟漪在峰值频率和持续时间上相似，但幅度更大。多数在宏观电极上检测到的涟漪都伴随着多个微电极上同时出现的涟漪活动。

Ripple and IED modulation of single units in mice and humans

在神经元调制方面，小鼠SPW-Rs伴随着CA1、CA2、CA3和DG区域中锥体细胞和中间神经元的短暂放电增加。人类涟漪也显示出对局部神经元放电的兴奋性调制。然而，与小鼠中IEDs通常引起神经元活动抑制不同，在人类中，更多的神经元在IEDs期间表现出兴奋性调制，且IEDs能调制远隔位置的神经元活动，而涟漪的影响则更为局部。

研究结论与意义

本研究通过跨物种的严格对比，证实了人类海马涟漪与啮齿类“金标准”SPW-Rs在空间局限性、频谱窄带性和波形形态上具有显著的相似性。据此，研究提出并验证了一个五步走的人类海马涟漪检测流程：1) 剔除IEDs；2) 宽泛的自动检测；3) 基于解剖位置（CA1/下托）和生理标志（事件相关功率谱中存在>60 Hz窄带峰值）筛选通道；4) 使用UMAP进行基于形态学的半自动化事件筛选（ripmap）；5) （可选）视觉检查。这套流程显著提高了检测的特异性和可重复性。

该研究的成功之处在于，它将啮齿类基础研究中获得的对神经环路的精细理解，转化为解决人类临床研究中实际方法学难题的有效工具。ripmap工具箱的推出，为领域提供了一种标准化、可推广的涟漪检测方法，有助于结束此前人类涟漪研究中的参数混乱和结果不一致的局面。更重要的是，可靠地区分生理性的海马涟漪和病理性的IEDs，是未来在癫痫等患者群体中深入研究记忆等高级认知功能与脑电活动之间关系的基础。尽管当前研究聚焦于睡眠期的涟漪，但该方法同样有望应用于更复杂的清醒状态记录，从而推动对人类记忆编码、提取乃至相关神经精神疾病机制的深入探索。