TMS-EEG技术动态量化任务锁定的皮层区间信息传输：基于定向传递函数的因果网络研究

本研究针对皮层间信息传输动态量化难题，创新性结合经颅磁刺激-脑电同步技术（TMS-EEG）与定向传递函数（DTF）方法，通过30名受试者的视觉引导扫视任务实验，首次实现了任务阶段特异性神经信息流向的毫秒级动态追踪。研究发现前额叶皮层（PFC）与后顶叶皮层（PPC）在γ频段存在显著时变信息流差异，构建的功能时序连接组揭示了C3电极从信息接收枢纽到发送枢纽的动态转换规律，为探索脑结构与功能关系提供了新方法。

　　

在探索大脑奥秘的征程中，科学家们一直试图破解不同脑区如何通过信息交流协同完成复杂认知任务。传统功能磁共振成像（fMRI）虽能展现脑区激活，但其时间分辨率不足；脑电图（EEG）虽具毫秒级精度，却难以确定因果联系。经颅磁刺激结合脑电技术（TMS-EEG）的出现为这一困境带来曙光——通过电磁脉冲"主动叩击"特定脑区，同步记录全脑电活动，理论上能同时实现"因果干预"与"高时空分辨率观测"。然而现有技术多局限于静态网络识别，对于任务执行中瞬息万变的神经信息流向仍缺乏量化手段。

北京师范大学的研究团队在《NeuroImage》发表的研究中，以经典的视觉扫视任务为模型，创新地将定向传递函数（DTF）算法引入TMS-EEG数据分析。研究招募30名健康受试者，在完成间隙扫视任务时，于不同时间窗（-100ms至+100ms）对左侧前额叶皮层（PFC）和后顶叶皮层（PPC）施加TMS刺激，通过29导联EEG系统记录神经响应。采用TESA工具箱进行数据预处理，包括脉冲伪迹插值、独立成分分析去噪，并运用多变量自回归模型计算α（8-13Hz）、β（14-30Hz）和γ（31-48Hz）频段的标准化信息流。

研究首先验证了技术可行性：
• 行为数据证实所有受试者正确率>90%，平均扫视潜伏期132.25±22.59ms，且TMS刺激不影响任务表现（3.1小节）
• 伪刺激组各频段信息流无显著时变差异，排除非特异性激活干扰（3.2小节）

动态信息流分析揭示关键发现：
γ频段呈现最显著的任务锁定时变特征：

• 准备期（-100ms）：C3电极（近PFC）作为信息接收枢纽，主要接收来自O1的输入
• 目标出现后（0-50ms）：信息流向逆转，C3转为向F4和O1发送指令
• 后期（50-100ms）：P3电极（近PPC）成为新枢纽，主导向P4的信息传输（图5D）

α/β频段显示互补模式：

• α频段：C3与FT9/P4间存在显著双向流切换（图2）
• β频段：P3在任务后期向P8/P4的投射增强（图3）

这些发现通过严格统计验证：
• 采用分阶段分析策略，先探索性分析（p<0.05未校正），再经FDR校正（p<0.05）
• 关键通路如C3→F4的γ频段信息流在目标出现时达峰值0.018（p=0.001校正后）

讨论部分指出，该研究首次实现了三大突破：

1. 方法学创新：将DTF算法成功应用于TMS-EEG数据，建立"功能时序连接组"新范式
2. 理论验证：发现PFC（通过C3电极）的早期驱动作用和PPC（通过P3电极）的延迟响应，与已知扫视神经通路理论吻合
3. 技术优化：提出"任务锁定"刺激策略，克服传统TMS-EEG的静态分析局限

研究也存在三项主要局限：
• 未能完全排除听觉伪影干扰（Rocchi et al., 2021提及）
• PFC与PPC采用相同刺激强度，未考虑皮层距离差异（Stokes et al., 2007建议调整）
• 头皮EEG存在容积传导效应，未来需结合源重建技术

这项研究为理解认知任务的动态神经机制开辟了新途径。正如作者强调，随着高密度EEG和精准逆模型的发展，该技术可拓展至工作记忆、决策等高级认知研究。特别是将毫秒级因果信息流与个体化脑结构数据融合，有望揭示"脑连接组-认知功能-行为输出"的完整映射规律，为脑疾病干预提供新靶点。