超越神经振荡：应激相关的非周期活动与非周期-振荡频谱协变

《iScience》：Beyond neural oscillations: Stress-related aperiodic activity and aperiodic-oscillatory spectral covariation

　　

传统的脑电图（electroencephalography, EEG）分析不区分神经振荡与非周期活动，限制了研究人员阐明急性应激背后特定神经过程的能力。本研究通过分离非周期活动与振荡活动来弥补这一空白，以检验它们与急性应激的关联。144名成人完成了基线会话和蒙特利尔成像应激任务（Montreal Imaging Stress Task, MIST），期间记录了脑电图。结果显示，在应激条件下，外侧中央颞顶头皮区域的1/f指数更为平坦。此外，应激条件下存在广泛的β活动减弱和δ活动增强。θ活动也出现应激相关的下降，但仅出现在前额叶、中线额中央和外侧颞顶区域。值得注意的是，应激相关的非周期活动变化与这些振荡频带的应激相关变化呈差异性关联。通过分离非周期活动与振荡活动，该研究为心理应激下复杂的神经动力学提供了更清晰的视角。

脑电图（EEG）是一种无创记录头皮电位波动的技术，其频谱分析是研究神经活动的重要途径。传统EEG谱分析主要关注delta、theta、alpha、beta等经典频带的振荡功率，而未将非周期成分从中分离。非周期活动指功率谱中随频率升高呈幂律衰减的无节律成分（1/f样衰减），被认为与兴奋-抑制平衡及神经噪声有关，并随唤醒水平变化。急性应激是一种高度唤醒状态，但以往急性应激EEG研究大多仅分析振荡活动，未考虑非周期活动的潜在混杂影响，可能导致振荡参数估计偏倚。因此，本研究旨在分离非周期和振荡活动，考察急性应激下二者的变化及其频谱协变。研究假设：若应激诱导更接近情绪唤醒，1/f斜率应变陡；若更接近生理唤醒，1/f斜率应变平。该论文发表在《iScience》。

研究人员招募了144名健康成人（年龄18-44岁，平均24.28岁，43.75%为男性；研究经香港大学人类研究伦理委员会批准），采用蒙特利尔成像应激任务（MIST）诱导急性应激，同时记录19导联EEG。预处理包括0.5-45Hz带通滤波、平均参考和基于广义特征值分解的GEDAI去噪。使用Welch法估计功率谱密度，并用FOOOF算法将功率谱分解为非周期（1/f指数和偏移）和周期（delta、theta、alpha、beta）成分。统计采用混合广义加性模型（generalized additive model, GAM），控制年龄、性别和基线唾液皮质醇，并应用Bonferroni校正和聚类wild bootstrap。

描述性统计：训练条件准确率均值为0.96，应激条件为0.47-0.49；反应时训练条件较长（约2998 ms），应激条件逐渐缩短（约2169-2338 ms）。基线皮质醇均值为1.16 ng/mL。

操纵检查：GAM显示条件显著影响准确率、反应时和主观应激。训练条件准确率显著高于应激条件，反应时显著长于应激条件；主观应激水平随实验进程递增，第三个应激条件达到峰值，因此后续对比采用第三次应激条件与训练条件。

应激相关的非周期EEG活动：1/f指数模型存在显著的电极×条件交互作用，应激较训练在C3、C4、T3、T4、P7、P8电极显著降低1/f指数，即斜率变平。1/f偏移模型无显著交互，但条件主效应显示应激时宽带功率总体下降。

应激相关的周期EEG活动：delta模型交互显著但事后无单电极显著，条件主效应显示应激时delta功率总体增加。theta模型交互显著，应激在Fp1、Fp2、Fz、Cz、C3、T4、P7电极显著降低theta功率。alpha模型无显著交互和条件效应。beta模型无显著交互，条件主效应显示应激时beta功率全头皮总体下降