猕猴大脑中时间分辨的大规模神经共激活模式及其与人类EEG CAPs的跨物种比较研究

研究人员针对非人灵长类动物中快速动态的大规模神经共激活模式（CAPs）研究空白，通过分析猕猴全脑覆盖的ECoG数据和人类高密度EEG数据，首次在猕猴α波段（8-12 Hz）识别出与人类高度相似的瞬态CAPs，其空间模式、时间特性（~100 ms寿命）及状态转换超结构均呈现跨物种保守性。该成果发表于《NeuroImage》，为理解进化保守的脑功能动态组织提供了直接电生理证据。

　　

在探索大脑奥秘的征程中，科学家们一直试图揭示不同物种间神经活动模式的进化保守性。虽然功能磁共振成像（fMRI）研究已发现人类与动物在静息态网络（RSNs）等慢速神经活动模式上的相似性，但对快速动态（毫秒级）的大规模神经共激活现象是否具有跨物种保守性仍缺乏直接证据。这一问题至关重要——如果这类瞬态神经事件在进化中被保留，可能意味着它们对高级认知功能具有基础性作用。

美国俄克拉荷马大学斯蒂芬森生物医学工程系（Stephenson School of Biomedical Engineering, University of Oklahoma）的研究团队通过创新性地比较猕猴皮层电图（ECoG）和人类脑电图（EEG）数据，首次在非人灵长类动物中发现了与人类高度相似的时间分辨大规模共激活模式（Coactivation Patterns, CAPs）。这项发表于《NeuroImage》的研究，为理解大脑动态组织的进化机制提供了关键桥梁。

研究采用三项核心技术：1）对4只猕猴（3只单半球、1只双半球植入）的128/256通道ECoG数据和34名人类参与者的128通道EEG数据进行α波段（8-12 Hz）希尔伯特变换提取包络信号；2）通过K均值聚类（L1范数距离）识别CAPs，最优聚类数根据>90%解释方差确定（人类8类，猕猴11-13类）；3）建立空间对称性指数、时间指标（出现率、寿命、占据率）及转移网络分析框架，定量比较跨物种CAPs特性。

3.1 空间模式
研究在猕猴和人类数据中均识别出三类CAPs：全局高激活（GHA，如人类CAP5/猕猴CAP12）、全局低激活（GLA，如人类CAP8/猕猴CAP5）和非全局激活（NGA）模式。最具特征的hCAPs（最高激活）和lCAPs（最低激活）在两种物种中均呈现全脑协同（去）激活，且人类CAPs的半球对称性指数达0.785±0.136，猕猴双半球数据中关键CAPs也显示显著对称性（0.576±0.221）。值得注意的是，部分NGA CAPs显示出区域特异性共激活，如人类前额叶（CAP1）与猕猴后顶叶（CAP5/CAP3）的对应激活模式。

3.2 时间特性
CAPs在跨物种间展现出惊人的时间尺度一致性：平均寿命约100毫秒，且hCAPs均表现为低出现率（人类p<0.005）长寿命（人类166.85 ms vs lCAPs 125.01 ms），而次级低激活CAPs（slCAPs）则呈现高出现率特征。这种"极端状态稳定、中间状态活跃"的时间组织规律，暗示不同CAPs可能对应着不同的脑功能状态转换能耗阈值。

3.3 转换动力学
转移网络分析揭示了两物种共有的超结构特征：GHA与GLA CAPs间无直接转换（如人类CAP3→CAP5需经NGA中介），且转移概率随CAPs空间距离呈幂律衰减。特别发现lCAP→hCAP转移在<300 ms时出现窄峰（人类峰值83.02 ms），且起始lCAP寿命显著短于lCAP→lCAP转移（p<5e-13），提示这类长程转换可能受特定神经时序机制调控。

这项研究首次证实：1）快速动态（~100 ms）的大规模神经共激活在非人灵长类中存在明确对应物；2）其空间组织、时间尺度及转换规则在人类与猕猴间具有显著保守性；3）α波段CAPs可能代表进化保守的脑状态转换基础架构。这些发现不仅为动物模型研究人类脑疾病提供了新的电生理标尺，更重要的是揭示了跨物种保守的神经动态原则——即便在毫秒尺度上，大脑仍遵循着"全局协同激活稀缺而稳定，局部模式灵活多变"的基本组织逻辑。未来通过操纵猕猴CAPs（如光遗传干预），可能为解析这类瞬态事件与认知功能的因果关系开辟新途径。