EEG估计的脑源活动时空模式与热舒适及热不舒适的相关性研究

《Temperature》：Distinct spatiotemporal patterns of EEG-estimated brain source activity associated with thermal comfort and discomfort

　　

热舒适和热不舒适是激活人类体温调节行为的重要因素。然而，对其潜在的神经机制尚不明确。本研究考察了与热舒适和热不舒适相关的脑源活动时空模式。研究人员对12名参与者施加连续的全身热刺激，使用水灌注服灌注冷水（17°C）或热水（47°C）（分别记为Cbody或Hbody），同时向颈部皮肤施加40次重复循环的32°C持续15秒和24°C（冷）或40°C（热）持续10秒的局部刺激（分别记为Clocal或Hlocal）。使用15个电极记录脑电图（electroencephalography, EEG）信号，并进行独立成分分析（independent component analysis, ICA），随后进行偶极子源估计和聚类。在每个已识别的聚类中分析事件相关谱扰动（event-related spectral perturbation, ERSP），以计算振荡频率范围内的频谱功率变化。使用视觉模拟量表（visual analog scale, VAS）评估主观热感觉和舒适/不舒适。CbodyClocal组合诱发了局部冷感觉和全身热不舒适，而HbodyClocal诱发了局部冷感觉但全身舒适。CbodyHlocal组合诱发了局部热感觉和全身热舒适。与热舒适或热不舒适相关的估计偶极子源区域包括右额上回、左内侧额回、左扣带回、左脑岛、右内侧额回、右颞中回、右前扣带回和右后扣带回。即使对于Cbody和Hbody，局部刺激相同，在不同估计源区域也观察到不同频段的显著功率扰动。这些结果表明，热舒适和热不舒适与脑源活动的不同时空模式相关。

热舒适与热不舒适是驱动人类体温调节行为的主要因素，但对其神经机制的了解仍然有限。以往研究多使用功能磁共振成像（fMRI）识别相关脑区，然而fMRI的时间分辨率较低，难以捕捉神经活动的动态变化。脑电图（EEG）具有毫秒级时间分辨率，结合偶极子源分析和事件相关谱扰动（ERSP）可以在估计脑源的同时提供时频信息。因此，本研究旨在探讨热舒适和热不舒适是否与脑源活动的不同时空模式相关。

研究人员招募了12名健康志愿者（11男1女，年龄22±3岁），通过水灌注服施加全身热刺激（冷水17°C，Cbody；热水47°C，Hbody），同时使用Peltier装置对颈部施加局部热刺激（24°C冷刺激Clocal；40°C热刺激Hlocal），形成四种组合（CbodyClocal、CbodyHlocal、HbodyClocal、HbodyHlocal）。实验在恒温恒湿室（25°C，相对湿度50%）中进行，记录15导EEG信号。参与者通过视觉模拟量表（VAS）评价热感觉和舒适/不舒适。EEG数据经预处理后，采用独立成分分析（ICA）分解信号，利用DIPFIT估计等效偶极子源，并依据偶极子位置、头皮拓扑图和功率谱进行k-means聚类。随后对每个聚类进行ERSP分析，计算θ（4–7 Hz）、μ（8–13 Hz）和β（15–25 Hz）频段的功率变化，并通过置换检验比较条件间差异。

研究结果如下。体重：实验前后体重无显著差异（p=0.467），表明水分状态稳定。心率：全身热刺激显著影响心率，Hbody时心率最高，Cbody时最低，存在TSbody×时间交互作用。耳温和平均皮肤温度：全身热刺激显著影响耳温和平均皮肤温度，Hbody时最高，Cbody时最低。热舒适与热感觉评分：全身热感觉仅受全身热刺激影响；全身热舒适受全身和局部热刺激共同影响；局部热感觉仅受局部刺激影响；局部热舒适受局部刺激与全身刺激的交互作用影响。具体而言，CbodyClocal诱发局部冷感觉和全身热不舒适；HbodyClocal诱发局部冷感觉但全身舒适；CbodyHlocal诱发局部热感觉和全身热舒适；HbodyHlocal未引起主观热感觉或舒适度的显著变化。EEG传感器水平分析：Fz、Cz、Pz处的ERSP显示试验间存在显著差异，但差异持续时间较短（48–528 ms）。联合偶极子与ERSP分析：偶极子聚类确定了8个估计源区域，包括右额上回、左内侧额回、右内侧额回、右颞中回/角回、左扣带回、右前扣带回、右后扣带回和左脑岛。ERSP分析显示，同一局部刺激在不同全身热背景下引起不同的频带功率变化。根据HbodyHlocal中虽无主观变化但出现约256 ms功率扰动的现象，将显著功率扰动持续时间大于256 ms作为阈值。据此，在CbodyClocal（热不适）条件下，右额上回、右内侧额回、右颞中回、右后扣带回、左扣带回和左脑岛表现出持续功率扰动；在CbodyHlocal（热舒适）条件下，右后扣带回和左脑岛出现持续扰动；在HbodyClocal（热舒适）条件下，左右内侧额回表现出持续扰动。这些扰动涉及θ、μ和β频带，且各脑区的时间进程不同。

讨论指出，传感器水平分析未能清晰揭示不同条件间的差异，可能因为表面EEG混合了来自多个源的活动。偶极子分析则能分离不同脑区的贡献。本研究中识别的大脑区域涉及认知（如额叶）、记忆（如颞叶）和情绪（如扣带回、脑岛）相关网络，与这些区域已知的功能一致。与既往fMRI研究相比，当前结果部分重叠，但EEG提供了更丰富的时频信息，表明热舒适和热不舒适不仅依赖特定脑区的激活，还依赖振荡频率和时序的动态变化。本研究的局限性包括：EEG电极数量较少（15导），偶极子定位空间分辨率有限；样本量小（n=12），可能影响独立成分聚类的稳定性；未评估个体差异和性别差异；Hbody条件下数据丢失可能影响结果。此外，观察到的脑活动可能还涉及感觉、认知和体温调节行为等非享乐过程。

结论：通过结合EEG偶极子与ERSP分析，研究人员识别出与主观热舒适和热不舒适相关的估计脑源中不同的振荡活动模式。这些发现为理解不同全身热状态下热信息的动态处理提供了基础。结合EEG的时间分辨率与源估计，本研究为与主观热感知相关的动态神经过程提供了见解。未来需要进一步研究以确定这些模式的功能意义。