事件相关振荡与振荡脑网络

　　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”作为部位，基于EEG直接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。  　　ERO与注意：Bauer等发现被试在一侧食指受到触觉刺激前呈现的线索可以导致其γ振荡增强，类似于上述猴V4区的实验，在注意负荷增加时，低频振荡减弱。Vidal等让被试分别关注视觉刺激的组群(grouping)特点或局部特征并记录其MEG，短暂呈现8个不同朝向的光条，被试在知觉组群阶段分别注意全部或其中4个光条，在回忆阶段被试必须指出再现的光条朝向是否发生了改变。结果发现知觉阶段的高组群难度导致高段γ振荡(70～120Hz)增强，而回忆阶段的任务难度变化却是低段γ活动(44～66Hz)增强，提示同步振荡在多脑区参与的活动中所起的协调作用，且不同类型的任务利用了不同频段的振荡。许多研究发现选择性注意涉及远隔脑区之间的同步γ振荡。 
　　ERO与记忆：Debener等运用听觉刺激记忆搜索任务和EEG记录，发现再认阶段与模板匹配的刺激诱发出更强的γ振荡。Herrmann等报告具有长时记忆表征的刺激诱发的γ振荡显著强于新刺激，研究者猜测γ振荡实现了刺激与记忆的匹配和进一步利用。受相位递进现象和Steinberg工作记忆项目串行检索结论的双重启发，Lisman等提出工作记忆容量限制表现为θ振荡内容纳的γ振荡周期数，θ振荡提供了记忆项目有序化的时间框架，而γ振荡及神经发放分别编码了项目顺序及内容。多项目记忆组织和神经振荡关系的假说仍需基于ERO的实验证据 
　　ERO与意识和语言：额叶、颞叶和顶叶之间的同步振荡在意识性察觉方面发挥关键作用。Gross等利用MEG研究注意瞬失(attcnfional blink)现象，受试者任务是检测间隔100ms先后呈现的两个目标，发现第二个目标的成功检测伴随着上述区域之间B振荡的同步增强，而错失第二个目标伴随着同步削弱。他们提出高度的同步振荡与更好地分配 注意资源相关。Melloni等利用掩蔽的样本延迟匹配任务和EEG考察意识性察觉，可见和不可见的单词均可产生γ振荡，然而，只有可见单词伴随编码阶段广泛远隔脑区的γ振荡同步和保持阶段额区局部θ振荡的增强，提示意识通达和维持可能需要涉及多个脑区的多频段同步振荡。Weiss等在语言加工过程中观察到跨越多个脑区的多频段同步振荡，并提出瞬时语言中枢的观点，强调语言的理解和产生依赖不同脑区的动态协同，挑战传统的语言中枢定位观点。 
　　ERO与脑病：γ振荡在某些神经精神疾病也呈现出显著的变化。精神分裂症病人的情感淡漠、思维和言语的贫乏等阴性症状与γ振荡减弱相关，而妄想和幻觉等阳性症状伴随γ振荡增强。癫痫病人γ振荡的增强与常见的一些症状如似曾相识感(deja vu)现象相关。多动症病人显示了γ振荡的增强。而痴呆病人则为γ振荡的下降。 
　　 
　　5　动态细胞集群假说及验证 
　　 
　　认知神经核心任务之一是阐明认知和思维过程是如何产生于神经活动的。大脑是一个高度分布的系统，大量处理平行进行，因而可以提出如下问题：(1)大脑如何编码、表征关联的信息内容?(2)神经信息是如何产生、变换、无混淆的选择和发送的?(3)分布的脑区内进行的并行加工如何协调和整合产生知觉、意识和行动? 
　　Hebb提出的细胞集群(cell assemblies)假说为解决上述问题提供了启发，认为大脑工作可能基于如下三个基本原则：(1)共同激活的神经元之间突触联系增强；(2)联系增强可以发生在相邻或远隔的神经元之间；(3)紧密联系的神经元构成实现特定功能的单元。Hebb假说强调宏观的脑功能体现在神经元的相互作用中，而非单一神经元活动所能够表征和解释，对单个神经元的探究难以揭示水平的。相互紧密联系的神经元集体构成细胞集群，同一神经元可以扮演不同角色参与不同集群的活动。从而将神经信息表征和加工的主角从神经元转移到神经网络，实现了微观、介观和宏观尺度神经活动的沟通和跨越，推进了心理与神经事件关系的理解，成为整合心理科学各分支的基础。 
　　Hebb假说适合描述学习等可发生突触形态改变的慢时间尺度上发生的神经(心理)过程，而认知过程等是在毫秒级时间尺度上发生的过程，可能并不伴随明显突触形态变化。其另一个挑战来自“重叠灾难”(superposRion catastrophe)：在知觉、短时记忆或行动中，多目标对应的不同细胞集群是如何相互区分的?Malsburg提出“动态细胞集群”(dynamical cell assembly)假说解释脑工作原理：神经活动同步和去同步可能是区分不同细胞集群的机制，归属同一细胞集群内的神经发放同步，而不同细胞集群间的神经发放失同步，一个神经元在不同时段则可以参与不同的细胞集群，隶属不同细胞集群的神经活动相位关系随机波动。Fries提出同步振荡可以为神经信息加工提供时间窗口，远隔脑区之间神经振荡同步或失同步不仅指示着瞬时涌现或湮灭的动态细胞集群，也标志通讯渠道的建立或解体。可运用多任务比较考察同一脑区具有参与不同认知过程或同一过程不同阶段的能力。 
　　多层次实验研究能够深入验证上述假说。介观和宏观水平研究均展示不同认知过程中的ERO具有特定的时空特点，提示同步振荡可能是分布式神经网络通讯和协调信息加工的机制。 
　　以人类为受试可方便利用复杂的实验范式探索振荡脑网络，其成果也可以迅速推广到应用领域。在宏观层次同样观察到丰富的神经振荡调节现象：Demiralp等报告在短时记忆任务中头皮ERO的γ振荡波幅锁相于θ振荡相位，并提出局部γ振荡需要通过θ振荡调制才能同远隔脑区通讯。Palva等利用MEG考察心算过程，发现α、β和γ跨频段同步振荡的空间分布不同于各频段内的同步。在判别一个刺激是否出现过的再认记忆任务中，可以观测到两个ERP效应：熟悉性(familiarity)效应发生在刺激出现后200～400ms的额中区和颞区，而回忆(recollection)效应出现在刺激后500～1000ms的顶区。Supp等运用基于γ振荡的方向相干函数和锁相值考察这些脑区之间的相互关系，发现在熟悉目标呈现时，额中区、左颞区和双侧顶区相互之间的联络是双向的，而在陌生目标呈现时只有额中区和左颞区通向双侧顶区的单向联系。利用ERO获得了比ERP研究更为丰富和深入的结果，这类研究不仅证实人类知识的存储和提取涉及多个脑区的动态联系，更直接揭示振荡大脑网络的运作原理。 
　　 
　　6　和未来研究方向 
　　 
　　EEG可能直接参与了神经信息加工，一个频段成分可参与许多不同的认知过程，而一个认知过程也可涉及多个脑区的多频段振荡。神经振荡具有多重功能，并不单纯以频率来区分，单独脑区的孤立振荡与多脑区的同步振荡具有不同意义。多频段ERO的调频、调幅和调相现象在神经信息加工中的功能意义和实现机制有待深入探究，需要更多沟通微观尺度的神经发放与更高尺度的EEG如何协同工作的研究。该领域已跨入脑理论、实验和模拟方法紧密结合的阶段，在有关神经振荡的各类假说的指引下，跨尺度、跨脑区和跨频段ERO研究有望取得丰硕成果。