摘要　事件相关振荡是伴随认知、情感和行为过程的脑电磁振荡活动，观察到其各类调频、调幅和调相现象，这种介观和宏观尺度上大量神经元的集体活动与微观尺度上神经元平均发放率和发放定时相互影响，共同参与神经信息的编码、表征、通讯和调控。动态细胞集群假说认为大脑认知功能是神经网络通过同步振荡相互作用的结果，在基于振荡的大脑理论指引下，多尺度、跨脑区和跨频率事件相关振荡研究为揭开振荡脑网络的工作原理带来了希望。

　　关键词　事件相关振荡，动态细胞集群，同步化 
　　 
　　脑电图(electroencephalography,EEG)可能是最为突出和神秘的脑功能特征，伴随认知、情感和行为过程的EEG振荡活动则称为事件相关振荡(event-related oscillations，ERO)。虽然EEG早已用来检测和判断脑功能，基于EEG的神经反馈也用于改善脑功能和治疗脑病，但历经80年研究，EEG产生机制和功能意义仍未完全澄清，本文介绍ERO研究方法、进展和方向。 
　　 
　　1　振荡脑网络分析方法 
　　 
　　EEG是一个包含许多不同频率成分的宽频振荡，其功率与频率成反比变化，1/f反比斜线上也可能出现以10Hz、40 Hz振荡等为中心频率的突起。各频带下限和上限由低到高表示如下：δ[0.1，4]，θ[4，8]，α[8，13]，β(13，30)，γ(30，100)(Hz)。频带界限值在文献中并未统一，“[]”和“()”分别表示包括或不包括对应界限值；δ，θ和α频段称为低频振荡，β和γ频段称为高频振荡，低于δ频段者为超慢(infraslow)振荡，高于γ频段者为超快(ultrafast)振荡。EEG在不同脑区、不同生理和病理过程具有特定分布和不同频率组合。 
　　振荡研究受制于分析方法。一个简谐振荡可用正弦函数的频率、幅值和相位三个参数完全描述。1807年，傅里叶提出可将复杂振荡分解为许多简谐振荡的代数加权和的方法，从而建立了信号时域与频域的变换。该变换因假设各简谐振荡能量均匀分布而丧失了时间信息，不适合分析ERO这类振荡特征快速变化的非平稳信号。 
　　1946年，Gabor引入一个固定长度的移动窗函数而把信号划分成许多片段，再用傅里叶变换分析，获得各个时刻的频域特征。对于非平稳信号，高频部分希望窗函数有较高时间分辨率；而其低频部分则要求窗函数有较高频率分辨率，一个固定长度的窗函数不能兼顾两方面，若要调整分辨率，只能重新选择窗函数长度。 
　　1980年，Morlet引入一个能量有限、兼具振荡和快速衰减特点的“窗”函数族，故名“小波”。小波变换在时域和频域具有自适应多分辨分析的特点：一个宽频信号内的低／高频成分可分别应用较高／低频率分辨率和较低／高的时间分辨率的小波函数来突出特征，因而适合非平稳信号分析。Morlet复值小波是ERO分析最常用的小波函数，可提取瞬时功率和瞬时相位。 
　　基于EEG考察大脑网络的方法主要有四类：(1)时频分析方法如小波变换和Hilbert变换等；(2)多变量自回归模型；(3)信息论方法；(4)图论及非线性网络动力学方法。前两者为可直接刻画振荡特点的线性方法，后两者虽不直接反映振荡特点，但可用于包括非线性情形的数据分析。它们的性能需要深入比较，还没有完美的指标和方法来全面刻画振荡大脑网络。 
　　用一阶特征和二阶特征可区分出两类同步振荡：一阶特征如功率谱和波幅等反映局部神经活动的同步程度以及调幅变化；二阶特征如锁相值(phase-locked value)和相干函数等描述远隔脑区振荡之间的同步程度，锁相值只与两个振荡相位差的统计分布有关，后者则受波幅和相位共同影响。 
　　由于没有理想的“零电势点”作为参考部位，基于EEG直接计算二阶特征受容积导体效应与共同参考影响，可用空间滤波如Hiorth变换或Laplacian变换来消除，故获取“免参考”(reference-free)数据是计算二阶特征必要的预处理。而两个脑区之间的联系受第三区共同驱动的效应要用偏相关／偏相干技术来削弱。 
　　 
　　2　事件相关振荡 
　　 
　　EEG振荡可自组织(self-organized)自发(spontaneous)产生而与事件无关，如睡眠EEG，同ERO一样，其研究实际上受人类定义、记录和分析各类事件能力的限制，同时考察其与环境、行为、主观体验以及各类设备提供的测量指标等的关系，才能深入理解。 
　　依据振荡相位与事件锁时(time-locked)关系，ERO分为两类：锁相(phase-locked)和非锁相(non-phase-locked)振荡，也分别称为诱发(evoked)和引发(induced)节律。将一组ERO片段依事件发生时刻对齐后直接叠加，即获得平均事件相关电位(event-related potentials，ERP)。对平均ERP的贡献主要来自锁相振荡部分，特别是功率更强的低频振荡，非锁相振荡成分却在平均叠加过程中与噪声同时衰减。Sayers等认为ERP主要由调相机制产生，刺激使原先随机变化的自发EEG振荡相位重置(phase resetting)而转变成同步振荡。Jervis等则强调调幅机制：刺激引出额外增强的诱发反应。Shah等的结果支持相互包容的观点：调幅和调相(同步)是早期刺激的自底向上加工的共同机制；而在晚期源自额叶或顶叶的自顶向下加工中，调相机制更为重要。由于平均ERP丢失了非锁相成分，混淆了多频段动态信息，因而难以直接探究神经信息加工本质。 
　　欲考察非锁相成分，需对ERO进行特别预处理；先用窄带滤波获得不同频段的时间序列，其波幅经平方后再平均叠加，避免非锁相成分因相位正负极性而在叠加中抵消，从而获得事件相关(去)同步(event-related synchronization/desynchronization，ERS/ERD)，该方法同时保留了锁相和非锁相振荡成分。这样得到的ERS和ERD分别对应局部神经元群活动的同步增强和减弱，但实际上调幅机制也可能参与其中，它们并不反映远隔脑区之间EEG相位的关系。α阻断(a-blocking)就是典型的ERD现象，表现为安静闭眼时，原本处于闲置状态(idling)的枕区较强α节律(ERS)在睁眼时减弱(ERD)。奇怪的是，一些研究发现工作记忆及心算任务相关的额区和顶区α节律增强(ERS)，α节律在认知加工中是主动抑或被动角色有待探讨。功能神经影像学的结果可以提供EEG振荡在能量代谢方面的限制条件信息，Mukamel等报告人类听觉任务中，fMRI位于听觉皮层的血氧水平依赖信号与低频段(5～15 Hz)局部场电位(10cal field potential，LFP)和动作电位(神经发放)平均发放率呈负相关、而与高频段(40～130 Hz)振荡活动呈正相关，提示α振荡处于闲置的低能耗状态。Makeig等利用小波分析和独立成分分析同时考察诱发振荡、引发振荡及其发生部位。 
　　 
　　3　微观与介观尺度研究 
　　 
　　基于观察的神经元数量，可大致将实验划分为三个尺度，这实际上由传感器与神经组织接触面积决定：微米尺度的微电极可考察微观的单个神经元的膜电位及发放；厘米尺度电极记录的EEG反映的是宏观上百万神经元集体活动；介观(mesoscope或mesoscale)则位于微观与宏观之间：毫米尺度电极记录的LFP是数十万局域兴奋性与抑制性神经元群体突触后电位的总和，也是更大尺度的颅内EEG或头皮EEG的发生基础。 
　　Singer等研究猫单眼短期遮蔽前后条件下视觉皮层神经元功能变化，观察到神经发放锁相于γ频段的LFP，具有不同朝向感受野的神经元之间的γ振荡随着符合格式塔原理的光栅刺激变化而同步化，位居两个半球的脑区之间同步活动随半球联络纤维的切断而消失，从而排除了同步受刺激共同驱动所致的可能。同步振荡不仅受自底向上的刺激驱动，Fries等在视觉辨别任务实验中显示注意调节了恒河猴的V4区的神经振荡，V4区是视觉目标识别的重要区域。Womelsdorf等研究显示同分心物的神经振荡相比较，目标相关的γ振荡增强，而低频振荡减弱：当恒河猴错误选择了分心物时，γ振荡增强同样发生在分心物相关的神经元。高频振荡可能是注意这类自顶向下加工的神经相关物。 
　　O’Keefe等报告迷宫内直线前进的大鼠海马内神经发放与路径的不同位置相关，这些与γ振荡同步的神经发放依位置顺序排列在同一个LFP的θ振荡周期内，并以“先进先出”顺序在连续的θ振荡周期内提升(phase precession，相位递进)。这是高频和低频神经振荡相互作用和显示EEG功能的有力证据。海马神经元群使用了双重编码，其中反映位置变化的相位递进为时域(相位)编码，发放率反映漫游速度。 
　　在实验基础上，Singer等提出时域编码假设：神经元通过毫秒精度的同步发放建立关联且以此做为后续加工的基础，即脑运用时域同步来编码客体特征乃至客体之间的关系。既往人们以为只有动作电位参与神经编码，关注的也仅仅是神经发放频率而非发放定时(timing)模式，忽视突触后电位构成的场电位。Traub等认为脑区局部抑制性中间神经元与锥体细胞之间的缝隙连接(gap junction)起到了电突触的作用。许多研究表明LFP振荡可以直接影响发放阈值而调节发放定时和发放率，从而反映神经元群兴奋性的波动。Varela等认为介观水平的LFP是探讨脑区间相互作用的最优层次。 
　　考察癫痫病人颅内深部电极阵列获得的颅内EEG，观察到跨频段振荡的相互影响(调频)、振荡强弱变化(调幅)和相位同步变化(调相)等现象。对应于大鼠巡游实验，从事迷宫漫游游戏的病人颅内EEG中也观察到θ振荡。在Stemberg工作记忆任务中，刺激引发的多脑区θ振荡增强延续至信息保持阶段；且内侧颞叶γ振荡随保持项目数增加而增强：而调相和调幅现象可以相互独立变化。研究发现神经发放可以分别锁相于δ、θ和γ振荡，有意思的是发放可以锁定于低频振荡不同相位，但只锁定于高频振荡的相位波谷，从而提示低频振荡相位对发放定时的调节可能是编码，而高频振荡为解码作用。成功的回忆伴随海马结构及其相邻皮层的γ和θ同步振荡的增强。在颅内同一部位(nested)的跨频段振荡记录中，观察到θ振荡相位调节高频γ振荡(80～150 Hz)且在不同脑区随实验任务变化。这些实验提示LFP或EEG这类场电位振荡是参与神经信息加工的要素，可能担当着并不相互排斥的多重角色：信息编码、表征、通讯和调控。因此，寻求EEG功能意义也是对大脑工作原理的探索。 
　　 
　　4　宏观尺度研究 
　　 
　　头皮记录的EEG反映局部厘米尺度的神经集体电活动，适合研究远隔脑区构成的振荡大脑网络。知觉、注意、意识和语言等认知过程或病理条件下均发现了ERO各类振荡调节现象。与EEG耦合的脑磁图(magnetoencephalograph，MEG)在观察脑深部活动方面有特殊优势。 
　　ERO与知觉：Tallon-Baudry等最早应用小波分析ERO，以Kanizsa知觉三角、真实三角与非三角形做为刺激，发现前两种刺激均可以在280ms后引出常规平均方法所见不到的非锁相γ振荡。γ振荡被认为是绑定(binding)客体多个特征的机制，这些特征通常在脑内不同区域分布加工。Rodriguez等运用正立和倒立面孔侧面图片的辨别反应任务，发现在较易识别的正立面孔出现250mS的知觉阶段和720ms的反应阶段之后，受试者的额叶、顶叶和枕叶之间出现γ同步振荡；两个阶段之间则是相位分散(phase scattering)的失同步现象。  转贴于 中国论文下载中心 http://www.studa.net

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