利用光泵磁力计磁脑图追踪β波振荡的神经发育轨迹
研究背景
神经振荡是大脑功能的基本组成部分，能够协调神经集合内及其间的电生理活动，这对于认知和行为的实现至关重要。在儿童的成长过程中，这些神经过程的发展不仅是一个重要的神经科学问题，还可以揭示神经病理和精神障碍的潜在机制。然而，测量神经振荡的发展轨迹受到设备限制的影响。
论文来源
这篇论文由Lukas Rier、Natalie Rhodes、Daisie O Pakenham等人撰写，作者分别来自Nottingham大学、Toronto的Sick Kids Hospital等机构。论文发表于2024年6月4日在《eLife》期刊，题为“Tracking the neurodevelopmental trajectory of beta band oscillations with optically pumped magnetometer-based magnetoencephalography”。
研究目的
本文研究的目的是检验一种创新的成像平台——基于光泵磁力计(Optically Pumped Magnetometer，OPM)的脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)系统，在研究大脑发育过程中的神经振荡的适用性。研究展示了一种独特的192通道OPM-MEG设备，该设备适应不同头部尺寸，并且在被试者移动时仍能保持数据收集的高保真度。
研究方法
a) 研究流程
本文包含多个实验步骤：
- 实验设计与设备：实验依赖于一个192通道OPM-MEG系统，在儿童和成人间进行比较。设备包括3D打印的适配头盔，头盔重量在856g到906g之间，并配有内部温控系统，以确保舒适度。
- 参与者：实验涉及27名2至13岁的儿童和26名21至34岁的成人，被试在接受被动体感刺激任务的过程中，右手食指和小指分别受到刺激，每次持续0.5秒，每隔3.5秒刺激一次，共重复42次。
- 数据采集与预处理：数据首先经过噪声和伪影检测和剔除，然后进行带通过滤(1-150Hz)、功率谱估计和ICA算法去噪等处理。这些数据经过后续分析用于构建时间-频率谱及计算功能连接性矩阵。
- 算法与分析工具：包括LCMV beamformer空间滤波器、Pearson统计方法、幅度包络相关(Amplititude Envelope Correlation，AEC)、以及隐马尔科夫模型(HMM)等。
b) 主要结果
- β波调制与年龄关系：研究发现，随着年龄的增长，β波在食指刺激和小指刺激下的调制幅度显著增加，婴幼儿时期的β波调制较为微弱，而成人的调制尤其明显。
- 全脑功能连接性：成年人的功能连接性明显强于儿童，并且随着年龄的增长，连接性强度显著增加，特别是在前额叶和顶叶区域，而视觉皮层的变化最小。
- 爆发模型解释β波动态：研究表明，任务诱导的β波调制实际上是由频谱爆发的出现概率驱动的。随着年龄的增加，这种爆发期间的现象越来越明显。此外，不同年龄段之间的频谱特性也有所不同。
c) 结论和研究意义
研究提出了基于OPM-MEG的新平台在研究儿童神经发育中的优越性，特别是在精准度和可操作性上显著提升，解决了传统MEG和EEG的局限性。本文的数据不仅验证了其与现有研究在结果上的一致性，还展示了新的神经科学见解，揭示了β波振荡的发育轨迹和功能连接性变化的机制。
d) 研究亮点
- 创新成像技术：首个大规模使用OPM-MEG系统来研究神经发育的研究，展示了该设备在数据保真度和适应性方面的优势。
- 详细的年龄段分析：不仅仅包括少年期，还涵盖了婴幼儿、青少年和成人，展示了完整的神经发育轨迹。
- 基于爆发活动的β波调制模型：提供了新的视角解释神经振荡现象，提出了任务诱导的爆发活动的增长随年龄增加而变化。
论文附加信息
- 系统设计的优越性：多种头盔大小可以适应不同年龄段参与者，显着减少了测量误差。
- 数据可靠性：高质量的数据采集和预处理流程，确保了实验结果的可靠性和再现性。
- 未来应用：为了解和干预儿童神经发育疾病，如自闭症和癫痫，提供了潜在的全新检测手段。
通过这种研究方法和实验设计，这篇论文展示了OPM-MEG在神经发育研究中的巨大潜力，为未来在儿童神经科学研究中的应用提供了坚实基础。