同步icEEG–fMRI揭示静息态fMRI功能连接与频率分辨电生理连接的静态及动态关联：48例局灶性癫痫成人研究

《Human Brain Mapping》：Static and Dynamic Resting-State fMRI Connectivity Show Frequency-Resolved Associations With Intracranial EEG Connectivity

　　

静息态功能连接（functional connectivity, FC）源自功能磁共振成像（functional MRI, fMRI），被广泛用于表征脑功能组织，但其电生理基础仍未完全阐明。在此，研究人员利用来自48名局灶性癫痫成人的同步颅内脑电图（intracranial EEG, icEEG）–fMRI记录，研究电生理连接如何与静态和动态fMRI连接相关。研究人员将线性混合效应模型（linear mixed-effects models, LMMs）应用于采样的电极对连接，以检查非致痫脑区内带限icEEG连接与相应fMRI FC之间频率分辨的关联。时间平均icEEG连接与静态fMRI连接在采样连接和频带间的空间变异呈稳健相关，其中在beta和low-gamma范围内效应最强。在窗口水平，动态fMRI连接与窗口特异性icEEG FC偏差在alpha、beta和low-gamma频带中呈显著正相关。探索性空间分层提示，跨模态耦合在临床采样的额叶、颞叶和岛叶区域对之间存在变化，并且在运动控制分析后主要发现仍保持稳健。总之，这些发现表明，静息态fMRI连接与采样连接上的平均电生理耦合以及电生理连接的窗口水平波动均相关，最强的主要频带证据见于alpha、beta和low-gamma范围。

研究背景方面，静息态功能连接（FC）由功能磁共振成像（fMRI）中的血氧水平依赖（blood oxygen level-dependent, BOLD）信号低频波动计算而来，已广泛用于刻画脑功能组织。传统FC常在全扫描时间内估计，隐含连接平稳假设；但研究显示FC具有非平稳性，区域间耦合会随时间波动，并与脑状态、觉醒和意识变化有关。动态FC方法因此被用于研究时变连接。然而，BOLD FC背后的电生理过程仍不完全清楚。动物研究提示局部场电位活动与BOLD反应相关，人类脑电图（EEG）–fMRI研究也发现频带依赖的神经–BOLD关系，但头皮EEG空间分辨率有限，对深部来源不敏感，且高频活动易受颅面肌电伪影影响。同步颅内脑电图（icEEG）–fMRI可提供直接颅内电生理测量，部分克服这些限制。既往同步icEEG–fMRI研究样本较小，且需区分平均电生理耦合与窗口水平电生理波动。研究人员因此分析48名局灶性癫痫成人的同步静息态icEEG–fMRI数据，检验时间平均和窗口水平icEEG连接与相应fMRI FC之间是否存在频率分辨关联，并假设fMRI FC与电生理连接在静态和动态分析中呈频率依赖关联。

为开展研究，研究人员在2008—2021年间前瞻性招募接受颅内视频脑电监测的耐药局灶性癫痫患者70例，最终48例纳入分析。采集同步icEEG–fMRI数据。icEEG预处理包括带通滤波、MRI梯度伪影平均伪影扣除、主成分分析（principal component analysis, PCA）、60 Hz陷波和降采样；fMRI采用FSL FEAT流程，包括头动校正、独立成分去噪、空间平滑和运动审查。研究人员手动定位电极，排除含发作间期癫痫样放电（interictal epileptiform discharges, IEDs）的通道，构建对应感兴趣区（region of interest, ROI），排除共享触点连接。icEEG带限功率（band-limited power, BLP）经Hilbert变换后分delta、theta、alpha、beta、low-gamma、high-gamma频带；计算全记录静态FC和120 s滑动窗、60 s重叠动态FC；fMRI BOLD时间序列移6 s后计算匹配静态和动态FC；采用线性混合效应模型（linear mixed-effects models, LMMs）、组内相关系数（intraclass correlation coefficient, ICC）、虚假发现率（false discovery rate, FDR）及多项敏感性分析。

研究结果如下。3.1 参与者纳入与最终分析样本：70例中22例被排除，原因包括icEEG梯度伪影难以满意去除、运动校正后连续fMRI不足5 min，以及使用条状和/或网格电极而非适合电极对分析的深度电极；最终纳入48名局灶性癫痫成人。年龄范围27—72岁，平均44.4±11.3岁，22名女性；平均分析16.6±5.2个非致痫ROI，平均143±84个配对连接。3.2 静态icEEG连接与采样电极对连接间fMRI FC空间模式相关：LMM显示，平均icEEG FC与平均fMRI连接在所有频带均正相关，全记录静态估计和窗口平均估计均显著，效应在beta和low-gamma范围最大；调整icEEG连接时间变异、电极间距离、年龄和性别后仍持续。3.3 窗口水平FC方差主要由受试者内变异主导：ICC分析显示，fMRI窗口水平FC的ICC为0.19±0.05，icEEG各频带ICC为0.21至0.30，均低于0.5，提示多数方差来自受试者内跨连接、run、窗口和残差变异，而非稳定受试者间差异。3.4 动态fMRI连接与窗口水平icEEG波动呈频带关联：主窗口水平LMM包含216,393个窗口水平观测、4,850个采样电极对连接和48名受试者。包含频带×窗口特异性icEEG FC偏差交互的omnibus模型未达常规显著性，但提示可能存在频带差异（LR=9.64，Δdf=5，p=0.086）。分频带模型中，窗口特异性icEEG FC偏差Δ_icEEG与时间对齐fMRI连接在alpha（β=0.085，95% CI [0.026, 0.144]，p=0.015）、beta（β=0.126，95% CI [0.038, 0.215]，p=0.015）和low-gamma（β=0.113，95% CI [0.023, 0.203]，p=0.028）频带呈显著正相关；delta、theta和high-gamma未在FDR校正后存活。平均滑动窗icEEG FC项在所有频带仍与动态fMRI连接正相关；icEEG FC变异性项也相关，并在delta为负、theta至high-gamma为正。受试者特异斜率显示个体间动态耦合强度存在差异，少数受试者在特定频带呈负斜率。3.5 探索性空间分层的动态icEEG–fMRI耦合：在36个可能区域–区域组合中，28个满足预定义纳入标准，8个因覆盖不足排除；11个区域–频率单元在p<0.05水平达名义显著，157个未达阈值。不同额叶、内侧颞叶和岛叶组合可见正负估计，但该分析因临床电极覆盖不均和未校正所有区域–频率比较，仅作描述性解释。3.6 敏感性与稳健性分析：静态和窗口平均耦合在4 mm与8 mm平滑核下仍正且FDR显著；动态Δ_icEEG方向在各频带为正，但alpha、beta和low-gamma原6 mm下FDR显著效应在4 mm或8 mm下未存活。时间偏移0、3、6、9 s时动态效应方向一致，3、6、9 s下alpha、beta、low-gamma仍FDR显著，0 s未存活。窗参数90 s、120 s、150 s重叠窗及非重叠120 s下方向一致，重叠窗分析中alpha、beta、low-gamma较一致显著，非重叠窗未存活FDR。错配电极对负对照中，破坏icEEG–fMRI解剖对应后静态耦合消除，动态效应大幅减弱。运动分层中，低运动run耦合系数仍为正且数值不弱于中等运动条件，静态模型加入受试者平均运动协变量后仍FDR显著。

讨论部分总结：该研究利用同步icEEG–fMRI发现，静息态fMRI FC与采样电极对连接上的平均电生理耦合相关，也与同一连接内窗口水平icEEG FC偏差相关。静态icEEG连接与BOLD FC在全频带稳健相关，动态fMRI连接则与窗口特异性icEEG FC偏差在alpha、beta和low-gamma频带呈最强主要分频带证据；但omnibus频带交互未达常规显著，故不应解释为频带间差异已被统计确认。alpha频带正相关与既往alpha–BOLD负相关报道不矛盾，因既往多关注局部alpha功率与局部BOLD幅度，而本研究关注区域间icEEG连接与区域间fMRI连接。delta、theta和high-gamma未获稳健动态耦合，可能受窗口化相关FC框架、固定时间对齐及high-gamma仅限51—100 Hz等影响。错配负对照支持解剖对应特异性。空间分层提示动态耦合可能随临床采样区域和频带变化，但属探索性。运动稳健性分析提示结果不太可能由残余头动驱动。与先前研究相比，Ridley et al. 报告icEEG与BOLD连接跨模态相关，低频和非致痫皮层较强；Mostame et al. 提出大规模连接组动态可作为跨时间尺度多路复用系统并异步重现；本研究在单个电极对连接水平量化跨模态耦合，并区分平均连接与窗口偏差。局限包括耐药癫痫患者、临床决定电极覆盖、电极附近BOLD信号损失、BLP相关指标、未分析有向或有效连接、high-gamma范围有限、空间分层探索性以及滑窗FC可能引入时间依赖。

研究结论翻译：静息态fMRI连接与采样电极对连接上的平均电生理耦合以及icEEG连接的窗口水平波动均相关。静态icEEG连接与相应BOLD FC跨频带稳健相关，而动态fMRI连接与窗口特异性icEEG FC偏差呈显著分频带关联，最强主要证据见于alpha、beta和low-gamma频带。总之，这些来自同步icEEG–fMRI的发现提供了群体水平证据，表明血流动力学FC既与采样连接上的平均电生理耦合相关，也与电生理连接的窗口水平波动相关。