利用动态自适应刺激伪迹源分离(dynamic adaptive stimulation artifact source separation, DASASS)恢复振幅调制经颅交变电流刺激(amplitude-modulated transcranial alternating current stimulation, AM-tACS)过程中的稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential, SSVEP)相关脑电图(electroencephalography, EEG)

《Journal of Intelligent Medicine》：Recovering steady-state visual evoked potential-related electroencephalography during amplitude-modulated-transcranial alternating current stimulation using dynamic adaptive stimulation artifact source separation

　　

在经颅交变电流刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)同步记录脑电图(electroencephalography, EEG)时，信号受到强烈的刺激伪迹污染，限制了直接评估神经活动。稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential, SSVEP)具有频率特异性和相位锁定响应特征，适合用于验证任务相关EEG的恢复效果。本研究以SSVEP为验证范式，评估动态自适应刺激伪迹源分离(dynamic adaptive stimulation artifact source separation, DASASS)能否在振幅调制tACS(amplitude-modulated tACS, AM-tACS)期间恢复任务相关EEG。14名健康受试者完成无刺激条件和AM-tACS条件下的SSVEP实验。无刺激EEG作为无伪迹参照，AM-tACS EEG分别作为伪迹污染原始信号和DASASS处理后恢复信号进行分析。研究人员在时域、频域和相位域采用幅度比误差(amplitude-ratio error)、频谱相关系数(spectral correlation)和相位集中误差(phase concentration error)量化恢复性能。结果显示，DASASS恢复后的EEG在各刺激频率下波形模式均更接近无伪迹参照；时域幅度比误差在全部9个频率下显著降低；频域中DASASS在8.5、10、10.5、11、11.5和12 Hz处与无伪迹EEG的频谱相关系数更高；相位域中9和9.5 Hz处相位集中误差减小。上述结果表明DASASS可在抑制AM-tACS伪迹的同时保留SSVEP任务相关响应的关键特征，支持在AM-tACS过程中直接分析任务相关脑动态。

本研究发表于《Journal of Intelligent Medicine》。

研究背景与目的：经颅交变电流刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)可通过频率特异性方式调节脑振荡并与内源性神经节律相互作用，影响大规模脑网络动态及感知、认知和行为，但其对脑活动的即时效应缺乏直接电生理证据，现有研究多依赖行为或刺激前后对照，属间接推断。同步记录脑电图(electroencephalography, EEG)可在刺激进行中监测脑活动，却受强刺激伪迹严重干扰——伪迹幅值远超内源神经信号，尤其在振幅调制tACS(amplitude-modulated tACS, AM-tACS)中虽高频载波与低频包络分离，低频相关伪迹仍因电极接触变化、生理调制及硬件非线性呈现非平稳和频依赖特性，难以彻底消除。已有方法如模板相减(template subtraction)、刺激伪迹源分离(stimulation artifact source separation, SASS)各有局限：传统SASS假定伪迹协方差平稳且需人工指定剔除成分数，难以适应AM-tACS伪迹时变特征及频带差异。本研究以具明确频率与相位结构的稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential, SSVEP)为验证范式，检验动态自适应刺激伪迹源分离(dynamic adaptive stimulation artifact source separation, DASASS)——即在SASS基础上引入动态协方差更新、自适应成分选取及小波多频带细化——能否在AM-tACS同步EEG中恢复任务相关SSVEP响应，并从时、频、相三维验证其保真度。

关键技术方法：研究人员招募14名健康成人(最终有效13名)，分别采集无刺激对照与AM-tACS(220 Hz载波、23 Hz正弦包络调幅、峰峰值1 mA，阳极FC4阴极CP4)条件下的3×3矩阵SSVEP任务(闪烁频率8.0–12.0 Hz，步长0.5 Hz，每试次1 s提示+3 s注视)EEG信号(64导，采样1000 Hz)。预处理流程含50 Hz工频陷波、1–40 Hz带通滤波、平均参考、降采样至500 Hz及ICLabel独立成分分析去除眼电肌电等伪迹。DASASS方法步骤为：(1)将刺激期EEG分段为1 s非重叠时块，递归更新刺激协方差矩阵(C_t=αC_t?1+(1?α)C_inst,t)以追踪伪迹非平稳性；(2)对每个时块做广义特征值分解，以候选投影后信号与无刺激参考的相关矩阵Frobenius范数差异最小者为最优剔除成分数，实现自适应成分选择；(3)对初步空间滤波恢复信号做Db4小波5层分解，各子带再分别执行协方差估计—广义特征值分解—自适应投影，最后小波重构得到最终恢复EEG。以无刺激条件EEG为金标准，提取枕后视区电极(PO4/PO6/PO8/O1/Oz/O2)平均信号，计算时域幅度比误差(|Ratio?1|，Ratio=std(测试)/std(参照))、5–30 Hz归一化功率谱密度(power spectral density, PSD)Pearson相关系数(频谱相关)、基于合成矢量长度R的相位集中误差(|R_测试?R_参照|)，采用Wilcoxon符号秩检验(时域)与配对t检验(频域、相位域)，Benjamini–Hochberg法校正多重比较。

研究结果：

3.1 Time-domain recovery of SSVEP waveforms(SSVEP波形时域恢复)：组平均枕后视区波形显示DASASS恢复EEG在全部9个SSVEP频率呈现清晰周期振荡，节律与无刺激参照基本一致，尤以10、11、11.5、12 Hz明显。幅度比误差在DASASS条件下较伪迹污染原始信号显著降低(p<0.05，FDR校正后全频率显著)，表明DASASS有效还原SSVEP时域振荡幅度特征。

3.2 Frequency-domain recovery of SSVEP waveforms(SSVEP波形频域恢复)：DASASS恢复信号的归一化PSD在目标频及其邻域与无刺激参照谱形更吻合，尤以8.5、10、10.5、11、11.5、12 Hz显著(p<0.05，FDR校正)，表明DASASS不仅衰减伪迹能量，还恢复了SSVEP频率特异性响应结构。

3.3 Restoration of phase distributions in recovered SSVEP signals(恢复SSVEP信号的相位分布还原)：9 Hz与9.5 Hz处DASASS恢复信号的相位直方图分布较伪迹污染信号更接近无刺激参照的相位锁定形态，相位集中误差显著低于伪迹污染条件(p<0.05，FDR校正)，其余频率未达显著，可能与相位估计对试次数敏感及本样本量有关，说明DASASS在一定程度上保留了SSVEP对外部视觉节律的相位锁定特征。

讨论与结论总结：讨论部分指出DASASS通过在时域恢复周期性波形、频域恢复目标频邻域谱形、相位域部分频率恢复锁相，证明该方法不仅降低伪迹幅值且保留任务相关神经信息，优于仅关注伪迹衰减的评价标准；局限性含样本量偏小影响相位域统计稳定性、仅纳入健康被试及未结合高阶任务表征分析。研究人员认为DASASS可为AM-tACS同步EEG中任务态脑活动直接分析提供方法学基础。

结论(Conclusion)翻译：本研究以SSVEP为验证范式，评估了动态自适应刺激伪迹源分离(DASASS)在振幅调制经颅交变电流刺激(AM-tACS)期间恢复任务相关脑电图(EEG)的能力。结果表明DASASS提升了时域、频域及相位域的恢复性能：具体为在所有刺激频率下降低时域幅度比误差，在多个频率提高与无伪迹参照的频谱相似度，并在部分选定频率改善相位恢复。综上，DASASS可在抑制AM-tACS伪迹的同时保留稳态视觉诱发电位(SSVEP)任务相关响应的关键特征，为恢复刺激态EEG并提供在持续AM-tACS过程中直接探究任务相关脑活动的可行途径。