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北理工聯(lián)合牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)綜述解讀：交叉頻率耦合和智能神經(jīng)調(diào)節(jié)

瀏覽次數(shù)：1243　發(fā)布日期：2024-5-9　來(lái)源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

腦機(jī)接口、人機(jī)融合技術(shù)不僅可以幫助殘障人士恢復(fù)行動(dòng)能力，還可用于治療帕金森病和癲癇等的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于采集和解讀腦電信號(hào)，從而識(shí)別用戶意圖或辨識(shí)疾病特征。精確解讀腦電信號(hào)動(dòng)態(tài)，將極大地提升腦機(jī)接口技術(shù)性能，拓展應(yīng)用場(chǎng)景。

解讀腦電信號(hào)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是——腦電信號(hào)并非單一頻率，而是由多頻率振蕩成分復(fù)合而成。大腦不同區(qū)域的神經(jīng)元產(chǎn)生多種頻率的神經(jīng)振蕩，其相位、幅值與頻率間相互作用，反演了認(rèn)知功能與疾病病理機(jī)制。該類(lèi)神經(jīng)電節(jié)律的跨頻率耦合即交叉頻率耦合（Cross-Frequency Coupling，CFC），推進(jìn)強(qiáng)噪聲下交叉頻率耦合的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)量化，正確認(rèn)識(shí)腦網(wǎng)絡(luò)連通機(jī)制為當(dāng)務(wù)之急。

近日，來(lái)自北理工葉建宏教授課題組和英國(guó)牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)在中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊CYBORG AND BIONIC SYSTEMS上發(fā)表了一篇題為“Cross-Frequency Coupling and Intelligent Neuromodulation”的綜述，詳細(xì)論述了CFC動(dòng)態(tài)分析技術(shù)的前沿與挑戰(zhàn)，重點(diǎn)討論了虛假耦合干擾、目標(biāo)頻率節(jié)律推斷以及因果推論等問(wèn)題。既往研究表明，CFC能反演認(rèn)知/記憶任務(wù)、睡眠，以及帕金森病、癲癇和阿爾茨海默病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的電生理機(jī)制，論文并強(qiáng)調(diào)了CFC在侵入性和非侵入性神經(jīng)調(diào)節(jié)和康復(fù)中的廣泛應(yīng)用。例如，其可作為病癥的生物標(biāo)志物，優(yōu)化治療與干預(yù)方案，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控。

文章鏈接：
https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0034

▍交叉頻率耦合的分類(lèi)
CFC具有多重表現(xiàn)形式，常見(jiàn)的包括相位-幅度耦合（Phase-Amplitude Coupling，PAC）、幅度-幅度耦合（Amplitude-Amplitude Coupling，AAC）、相位-頻率耦合（Phase-Frequency Coupling）和相位-相位耦合（Phase-Phase Coupling）等。PAC和AAC是兩種常見(jiàn)的CFC類(lèi)型，二者均為低頻信號(hào)調(diào)制高頻信號(hào)幅度，其中PAC關(guān)注相位信息變化，而AAC側(cè)重于包絡(luò)動(dòng)態(tài)。

▍交叉頻率耦合的分析方法
CFC是腦神經(jīng)電交互作用的典型。低頻振蕩編碼時(shí)間信息，高頻振蕩反映節(jié)律性脈沖活動(dòng)。傳統(tǒng)，常以線性方法實(shí)現(xiàn)CFC量化，隨著研究深入，CFC的動(dòng)態(tài)波動(dòng)本質(zhì)越發(fā)關(guān)鍵，因此需要考慮時(shí)間相關(guān)的計(jì)算方法。

Aru等人指出計(jì)算CFC時(shí)可能存在偏差風(fēng)險(xiǎn)，并給出了評(píng)估CFC方法可靠性的建議，包括：（a）充分覆蓋載波的頻帶提��；（b）驗(yàn)證振蕩的非線性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；（c）計(jì)算瞬時(shí)相位/幅度調(diào)制的準(zhǔn)確性；（d）保留輸入相關(guān)的非穩(wěn)定性；（e）具備健康對(duì)照組或替代數(shù)據(jù)；（f）保持時(shí)間結(jié)構(gòu)和瞬時(shí)耦合的一致性。

從腦電信號(hào)中獲取寬頻的相位和幅度調(diào)制是精準(zhǔn)評(píng)估CFC的關(guān)鍵，傳統(tǒng)傅里葉變換可能導(dǎo)致諧波偽影和信息丟失，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）雖然能夠有效捕獲非線性非平穩(wěn)特征，但其模態(tài)混疊與分裂現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致虛假耦合。因此，更先進(jìn)的CFC分析技術(shù)陸續(xù)提出。

集成EMD的PAC通過(guò)迭代添加高斯白噪聲消除模態(tài)混疊，以保證相位/幅度給定成分的精細(xì)尺度，但會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜度。掩模PAC的提出在計(jì)算效率上更具優(yōu)勢(shì)，并解決了非線性和頻率特異性之間的平衡問(wèn)題。變分相幅耦合算法，通過(guò)捕獲圍繞精準(zhǔn)中心頻率不規(guī)則振蕩間的交叉頻率耦合估計(jì)耦合強(qiáng)度，避免了由于二元濾波器組或諧波引起的虛假耦合，解決了非線性分析中的模態(tài)混疊和噪聲采樣共性難點(diǎn)。

▍交叉頻率耦合在生理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)上的應(yīng)用
CFC為神經(jīng)電網(wǎng)絡(luò)的局部和分布式信息處理提供了框架，協(xié)調(diào)了不同尺度的神經(jīng)振蕩。觀察CFC的變化可推斷某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的異常信息處理模式。過(guò)去研究指出，CFC耦合強(qiáng)度與計(jì)算需求呈正相關(guān)。例如，睡眠時(shí)，PAC調(diào)節(jié)腦電節(jié)律，產(chǎn)生不同的循環(huán)交替模式。A1子類(lèi)型中，δ-α/低β耦合呈現(xiàn)高強(qiáng)度，可能反映睡眠結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和工作記憶的緊密聯(lián)結(jié)。而在A3中，δ相位和α/低β幅度間呈分散分布，表明其耦合程度較弱。

CFC在調(diào)節(jié)認(rèn)知和記憶任務(wù)中扮演特殊角色。θ和γ頻帶的神經(jīng)振蕩對(duì)這些任務(wù)的執(zhí)行存在調(diào)制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，嚙齒類(lèi)動(dòng)物在進(jìn)行決策或?qū)W習(xí)任務(wù)時(shí)，海馬區(qū)呈現(xiàn)出明顯的θ-γ PAC。類(lèi)似地，θ-γ CFC在人類(lèi)認(rèn)知和記憶中也發(fā)揮著重要作用。近期研究表明，θ-γ CFC程度與輕度認(rèn)知障礙發(fā)展呈負(fù)相關(guān)，暗示了θ-γ耦合減少可能與神經(jīng)退行性病理關(guān)聯(lián)。

經(jīng)顱磁刺激（TMS）作為誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性的一種手段，可用于實(shí)施配對(duì)聯(lián)合刺激（PAS）。近期研究指出，PAS可增強(qiáng)前額葉皮層的θ-γ PAC，表明PAC可能是神經(jīng)可塑性的潛在指標(biāo)。
此外，PAC可作為識(shí)別早期阿爾茨海默�。ˋD）的生物標(biāo)志物。在AD早期階段，可能觀察到導(dǎo)致認(rèn)知障礙的神經(jīng)元功能障礙，其中海馬體與前額葉皮層間的θ-γ耦合減少。近期研究表明，經(jīng)顱交流電刺激（tACS）可調(diào)節(jié)前額-枕區(qū)自上而下的控制和功能連接性（θ-γ耦合），從而提高工作記憶任務(wù)的表現(xiàn)。

▍癲癇和帕金森病的診斷和治療
高頻振蕩（HFOs）或可為癲癇病灶提供關(guān)鍵線索。盡管HFOs在癲癇發(fā)作區(qū)（SOZ）中的發(fā)生頻率高于其他腦區(qū)，但也可能由非癲癇相關(guān)的感覺(jué)皮層或運(yùn)動(dòng)皮層產(chǎn)生，引發(fā)手術(shù)指導(dǎo)難題。

許多研究指出，癲癇病灶內(nèi)的HFOs受慢波相位調(diào)制，這些HFO振幅與低頻相位（θ/α）的耦合顯著高于其他腦區(qū)，該現(xiàn)象可能提供了定位病灶的線索。特別在額葉癲癇中，研究發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)作前期SOZ周?chē)矔?huì)出現(xiàn)顯著的δ-β/γ PAC。

帕金森病（PD）運(yùn)動(dòng)障礙與基底神經(jīng)節(jié)β頻段的過(guò)度同步有關(guān)，多巴胺類(lèi)藥物和電刺激可減弱β功率，且抑制程度與運(yùn)動(dòng)遲緩、僵直改善程度相關(guān)。相反，運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)基底神經(jīng)節(jié)和丘腦中的γ振蕩強(qiáng)同步，支持了腦區(qū)間的通信機(jī)制。交叉頻率耦合反映了PD基底神經(jīng)節(jié)的信息處理。例如，初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）和丘腦底核（STN）的β相位調(diào)制PD患者M(jìn)1區(qū)域的寬頻γ波幅度，而STN的腦深部刺激能夠抑制該類(lèi)皮層中的β-γ耦合。

CFC生物標(biāo)志物或能推進(jìn)多種治療PD的神經(jīng)調(diào)節(jié)或康復(fù)技術(shù)的發(fā)展。首先，通過(guò)提取PD患者的步態(tài)信號(hào)和腦電圖，可觀察大腦基底神經(jīng)節(jié)區(qū)域存在過(guò)度β振蕩同步。以在STN中觀察到明顯的低β/高β-高頻振蕩PAC為反饋，刺激調(diào)控技術(shù)（如深腦刺激、經(jīng)顱磁刺激和感覺(jué)刺激）可抑制異常PAC。然而，需要注意的是，刺激停止后可能會(huì)出現(xiàn)反彈效應(yīng)。上述PAC動(dòng)態(tài)為神經(jīng)調(diào)節(jié)的可能性提供了指證，可支持大腦區(qū)域間的相互作用和通信，從而深化對(duì)PD病理機(jī)制的理解。

CFC深入解析了神經(jīng)精神疾病的復(fù)雜振蕩交互機(jī)制。我們可以通過(guò)識(shí)別生理/病理狀態(tài)導(dǎo)致的CFC模式，明確腦網(wǎng)絡(luò)連通動(dòng)態(tài)，并發(fā)展強(qiáng)針對(duì)、強(qiáng)有效的干預(yù)技術(shù)。將CFC應(yīng)用于人機(jī)融合和仿生系統(tǒng)，以及治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病領(lǐng)域的前景廣闊，但仍面臨著包括開(kāi)發(fā)可靠的CFC測(cè)量技術(shù)，準(zhǔn)確解碼電生理記錄，并將其轉(zhuǎn)化為腦機(jī)接口設(shè)備的控制信號(hào)等挑戰(zhàn)，以及克服腦刺激偽跡、實(shí)時(shí)部署和穩(wěn)健算法控制等問(wèn)題，為確保其安全、有效、可靠，這些轉(zhuǎn)化/應(yīng)用需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證。

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