全身急性热暴露调节脑电微状态动力学、相位滞后连接及皮层源活动

《Brain Topography》：Acute Whole-Body Heat Exposure Modulates EEG Microstate Dynamics, Phase-Lagged Connectivity, and Cortical Source Activity

　　

摘要专业翻译 急性暴露于升高的环境温度会影响生理调节、热感知和认知功能，但其对人类大脑活动时空组织的影响仍未得到充分理解。本研究探讨了与温度相关的脑电（EEG）频谱功率、微状态、功能连接及皮层源活动的变化。十五名健康男性受试者在穿着标准化冬季防护服（3.2 clo）的条件下，完成了三次随机化、每次45分钟的坐姿暴露实验，环境温度分别为21、30和38 °C。研究记录了EEG、皮肤温度、核心体温及主观热感觉。平均皮肤温度、核心体温和热感觉评分随温度和暴露时长的增加而升高。全局delta频段连接在不同温度间存在显著差异（χ2=12.64，FDR校正q=0.0090）。38 °C条件下的delta连接显著高于21 °C条件。微状态D覆盖率在不同温度间存在差异，在21、30和38 °C条件下分别为0.145、0.178和0.150（χ2=12.88，FDR校正q=0.0064，W=0.429）。源空间分析进一步表明，相对delta源功率随温度升高而增加，而38 °C条件下beta和gamma源功率降低，尤其在枕叶、顶叶、感觉运动区和后扣带回区域。环境温度的升高与EEG频谱活动向低频段转移、delta频段功能同步增强以及微状态时间组织的改变相关。综上所述，这些探索性发现表明，在穿着防护服的健康年轻男性中，频谱功率、区域相位滞后连接和微状态动力学对环境温度表现出不同的响应。

论文解读

一、研究背景与问题

环境温度对人体生理调节、热感知和认知功能具有重要影响。消防员、军事人员和危险品处置人员等职业群体常在高环境温度下穿着高隔热防护服作业，这会增加热应激负担。大脑作为整合热信号并协调感知、行为和自主神经反应的核心器官，其活动在热暴露下的变化对于理解人类适应热环境的神经基础至关重要。既往EEG研究已表明热暴露可改变皮层振荡活动，但报告的模式取决于刺激类型、暴露强度和行为情境。然而，频谱功率仅描述预定义频段内的活动强度，即使跨电极评估，也无法直接表征全头皮构型的快速演替、分布式信号间的相位协调关系或所观察变化的皮层发生器。因此，仅凭频谱发现无法确定温度相关的功率变化究竟反映全局脑状态动力学改变、网络同步化改变、解剖特异性皮层反应改变，还是这些过程的组合。目前关于持续热暴露期间、无任务状态下EEG活动的组织方式仍知之甚少。

二、研究目的与意义

本研究旨在通过整合EEG微状态分析、功能连接分析和源成像技术，从多个互补层面表征环境温度对大脑活动时空组织的影响。具体而言，研究试图确定环境温度是否改变EEG微状态的时间特征和转换模式、是否重组脑区间的功能交互、以及是否调节与热感知和认知调节相关的皮层源活动。这种整合分析在环境温度研究中仍较为少见，以往研究多侧重于频谱特征和热状态分类，因此本研究为理解持续热负荷下大脑时空神经反应提供了更坚实的基础。

三、研究设计与关键方法

研究人员招募了15名健康男性志愿者（年龄20–28岁，身高175±5 cm，体重70±5 kg），所有受试者穿着统一冬季防护服（总热阻3.2 clo），在21、30和38 °C三种环境温度下分别完成45分钟的坐姿静息暴露，三种温度条件的顺序在受试者间随机化，相邻两次实验间隔至少15天。EEG采用Neuroscan 32通道有线采集系统，按国际10–20系统定位电极，采样率1000 Hz，以左右乳突平均为参考。皮肤温度采用iButton无线温度记录仪，核心体温采用可吞服遥测传感器。EEG预处理在MATLAB R2021中使用EEGLAB工具箱完成，信号降采样至200 Hz、1–80 Hz带通滤波、50 Hz陷波滤波、平均参考、ICA伪迹去除。选取每次暴露最后15分钟用于分析。频谱功率采用Welch法估计；微状态分析使用MICROSTATELAB工具箱，提取4类极性不变模板并与经典微状态A–D进行空间相关匹配；功能连接采用加权相位滞后指数（wPLI）量化；源定位使用MNE-Python基于FreeSurfer fsaverage模板和三层边界元模型（BEM），采用深度加权最小范数逆算子结合动态统计参数映射（dSPM）估计皮层源功率。统计分析采用Friedman检验，多重比较采用Benjamini–Hochberg FDR校正，事后两两比较采用Wilcoxon符号秩检验配合Holm校正。

四、研究结果

皮肤温度与核心体温：三种温度条件下初始平均皮肤温度相近（34.97±0.09 °C）。21 °C条件下平均皮肤温度缓慢上升并在30分钟后达到约35.78 °C的平台期；30 °C条件下持续上升至约37分钟后达到36.52 °C的平台期；38 °C条件下在整个暴露期间持续上升，40分钟时达到37.09 °C。核心体温初始值相近（36.58±0.03 °C），21 °C条件下逐渐升至37.33 °C，30 °C条件下达到37.63 °C，38 °C条件下上升最快，达到37.83 °C。

问卷结果：主观热感觉随环境温度和暴露时长的增加而升高。21 °C条件下全身热感觉介于中性至微暖之间，但暴露部位（如手部）感觉微凉；30 °C条件下热感觉评分从约1.5升至3.0；38 °C条件下所有身体部位均感觉温暖至热，评分范围约2.0–3.0。

EEG功率：全局delta相对功率随温度升高而增加（21、30、38 °C分别为0.275、0.316、0.342；χ²=19.15，FDR校正q<0.001，W=0.638），30 °C和38 °C均显著高于21 °C。beta功率在38 °C条件下显著低于21 °C和30 °C（χ²=18.55，q<0.001）。gamma功率从21 °C的0.216降至38 °C的0.171（χ²=7.56，q=0.0380），38 °C显著低于21 °C。theta和alpha频段无显著温度效应。

微状态：模型选择支持四类微状态解（k=4），全局解释方差（GEV）为66.5%，交叉验证准则在k=4和k=5间差异极小。四类微状态与MetaMaps参考模板的绝对空间相关为0.726、0.794、0.793和0.692。微状态D覆盖率在30 °C条件下（0.178）显著高于21 °C（0.145）和38 °C（0.150）（χ²=12.88，q=0.0064，W=0.429）。微状态D发生率同样在30 °C条件下最高（1.57 s?1），显著高于21 °C（1.30 s?1）和38 °C（1.37 s?1）。无微状态持续时间效应通过FDR校正。转换概率矩阵显示30 °C条件下向微状态D的转换概率略有增加。

功能连接：全局delta频段wPLI随温度升高而增加（21、30、38 °C分别为0.151、0.181、0.194；χ²=12.64，FDR校正q=0.0090），38 °C显著高于21 °C。区域连接分析中，75项检验中有9项在FDR校正后仍显著，其中7项位于delta频段，涉及中央区内、颞叶区内、顶叶区内连接以及中央–颞叶、中央–顶叶、额叶–颞叶、颞叶–顶叶连接，这些连接在30 °C和38 °C条件下的平均wPLI均数值高于21 °C。此外，颞叶区内beta连接和颞叶–顶叶gamma连接也存在显著温度效应。

源功率：全皮层delta源功率随温度升高而增加（21、30、38 °C分别为0.231、0.278、0.289；χ²=15.88，q=0.0015），30 °C和38 °C均显著高于21 °C。beta源功率在38 °C条件下显著降低（χ²=14.88，q=0.0015），与21 °C和30 °C均有显著差异。区域分析中，68个皮层感兴趣区（ROI）中有48个在delta频段表现出显著温度效应，31个在beta频段、12个在alpha频段、11个在gamma频段、9个在theta频段表现出显著效应。delta变化广泛分布于枕叶、顶叶和后扣带回，beta降低涉及感觉运动区、顶叶和颞枕区。

五、讨论与结论

讨论部分指出，38 °C条件下最显著的特征是delta相对功率增加、beta和gamma功率降低以及delta频段wPLI增强，这与既往运动性高热研究中观察到的EEG低频化趋势一致。微状态D在30 °C条件下的峰值表达呈现非线性响应模式，提示神经反应不能简化为环境温度的线性函数。delta频段连接的增强与delta功率的增加在低频段形成汇聚证据。源定位结果提供了解剖学背景，后扣带回/楔前叶的发现与被动高热fMRI研究一致。研究局限性包括样本量小且仅纳入健康年轻男性、缺乏独立警觉度测量、32通道蒙太奇限制源定位空间精度、传感器级连接无法确定皮层连接、相对频带功率未分离周期性振荡与非周期性频谱成分等。结论认为，频谱功率、微状态动力学、相位滞后连接和估计源功率捕捉了持续EEG活动的互补方面，它们对温度的响应轨迹不必一致。研究结果仍属探索性，需要更大规模、更多样化的队列和行为验证来确定这些EEG变化的机制和实际应用价值。