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为探究大脑区域间相位相干和振幅相关性这两种功能连接模式的关系，研究人员开展了 “Causal interactions between amplitude correlation and phase coupling in cortical networks” 的研究。通过对雪貂和人类大脑数据的分析，发现两者间信息传递单向或双向，且与频率有关。这为理解大脑动力学机制提供新视角11417。
大脑，这个人体最神秘的 “指挥官”，掌控着我们的思维、行动和感知。在大脑的复杂运作中，神经元之间的协作至关重要，而相位相干（Phase coherence）和振幅相关性（Amplitude correlations）是大脑区域间连接的两种主要机制，它们在多个尺度上调控着大脑的动态变化。然而，尽管越来越多的证据表明这两种机制与大脑功能和认知过程密切相关，但它们之间的关系却一直是神经科学领域的未解之谜。比如，它们究竟是相互独立的，还是存在某种内在联系？这种关系在不同的大脑状态和功能活动中又会如何变化？为了揭开这些谜团，来自德国汉堡 - 埃彭多夫大学医学中心（University Medical Center Hamburg-Eppendorf）的研究人员展开了一项深入研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。在数据采集方面，对 7 只自由活动的雌性雪貂（Mustela putorius furo）进行了 μECoG 阵列植入，记录大脑电活动；同时采集了 10 名健康成年受试者的静息态 MEG 数据。在数据分析上，运用自定义的多通道测量方法，计算相位一致性（PC）和振幅一致性（AC）；并利用传递熵（TE）来确定 PC 和 AC 之间的因果关系。
研究结果如下：
- 时间分辨的空间相位和包络一致性：研究人员定义了 PC 和 AC 来描述多通道信号在相位和振幅上的相似性。通过对雪貂数据的分析发现，PC 和 AC 的频谱分布一般低于原始信号频率，且选择 9 个电极时能较好满足研究需求。这表明 PC 和 AC 可作为低通滤波器，过滤掉高频成分23。
- PC 和 AC 的联合概率分布：计算雪貂 LFP 数据中 PC 和 AC 的联合概率分布，发现两者在各频率带都存在明显关系，低频段更为显著。而打乱时间间隔后，这种关系消失，证明了两者之间存在统计依赖关系4。
- 相位和振幅一致性之间的因果关系：利用 TE 测量 PC 和 AC 之间的因果关系，结果显示在低频段（低于 8Hz），信息主要从 AC 流向 PC，具有显著统计学意义；高频段（8 - 128Hz）双向信息流与随机条件无显著差异。在人类 MEG 数据中也得到了类似结果，且不对称性延伸至 16Hz。这说明该因果关系在不同物种、记录方式和空间尺度下具有普遍性567。
- 因果关系与脑状态无关：通过对雪貂不同脑状态下数据的分析，发现因果关系的方向性与脑状态无显著关联，这意味着该因果关系是大脑网络动态的固有特性89。
- 信息传递延迟：研究发现 AC 对 PC 的影响存在时间延迟，且延迟与信号频率成反比，在 1 - 8Hz 频段内，延迟对应半个到一个振荡周期。这表明因果相互作用发生在单个振荡周期内，且高频段延迟增加暗示低频成分参与了 PC 和 AC 的形成1011。
- 计算模拟：使用基于胡克定律的耦合振子模型进行模拟，该模型成功预测了 PC 和 AC 的统计分布、联合概率以及因果关系，且与实验数据相似。这表明这些现象可能是一般网络的属性，而非生物系统所特有1213。
- 替代数据分析：通过生成替代数据对比分析，验证了实验结果反映的是系统的物理属性，而非信号特征1516。
在结论与讨论部分，研究表明大脑皮层网络中相位耦合和振幅耦合以因果方式相互作用。低频段振幅耦合起主导作用，影响相位耦合，这与局部跨频率相位 - 振幅耦合中低频相位调制高频振幅的现象不同。同时，研究还发现信息传递延迟与信号频率相关，且在不同尺度下具有相似的因果关系模式。此外，简单的非生物模型能够重现实验现象，说明这些现象可能是普遍的网络特性。这项研究为理解大脑动力学机制提供了新的视角，有助于进一步探索大脑功能和相关神经疾病的病理机制，比如在癫痫等神经系统疾病中，这种振幅耦合到相位耦合的传递可能发生改变。未来研究可针对这些耦合模式进行干预，深入探究其潜在的功能意义。
