脑电图是一种常用的无损伤获取脑活动信号的方法, 它通过头皮表面电极记录大脑内部神经元放电产生的电活动。 脑电图具有较高的时间分辨率, 测量频率范围通常在1~100 Hz 之间, 但同时脑电图的空间分辨率却相对较差, 通常在厘米甚至分米级别。

脑磁图是20 世纪60 年代后期发展起来的无创性地研究人类大脑功能活动的新方法, 它所测定的是神经元突触后电位产生的磁场变化, 其空间定位精度可达2 mm, 时间分辨率可达毫秒级, 因此可实时地观测大脑功能的动态活动。

2006 年, Micheloyannis 等人用诱发脑电技术(ERP)记录了教育程度不同的两组被试执行工作记忆任务时的数据, 然后通过计算不同的记录电极间诱发脑电信号的同步似然性建立了大脑功能网络, 进一步分析发现教育程度低的被试与教育程度高的被试相比, 其大脑网络具有更高的“小世界”属性, 这一研究结果支持了神经效率的假说(neuralefficiencyhypothesis), 表明教育程度较低的被试群需要更加优化的网络组织结构来实现同等难度的认知任务。

MicheloyannisS, Pachou S, Stam C J, et al. Using graph theoretical analysis of multi channelEEG to evaluate the neural efficiency hypothesis. Neurosci Lett, 2006, 402: 273—277

最近, Micheloyannis 等人采集了20 名儿童和20 名大学生在静息和数学认知任务下的28 通道的脑电图数据, 研究发育效应对大脑功能网络拓扑属性的影响,结果发现在数学认知任务期间成年人θ波段(4~8 Hz)的同步性增强, 说明成年人工作记忆能力较强; 成年人α2 波段(10~13 Hz)“小世界”特性降低, 提示了成年人大脑功能网络存在失连接现象, 网络结构有向随机网偏移的趋势; 成年人在静息和数学认知任务两种状态下β波段(13~30 Hz), 尤其是γ波段(30~45 Hz)的同步性和“小世界”特性均有所降低, 已有研究表明儿童期皮层间连接比较密集, 有较高的连通性和“小世界”特性, 而成年期连接变得稀疏, 加强了特定脑区间的连接, 而且随着年龄的增长, 局部和长距离的解剖连接会发生变化, 这可能导致成年人高频波段的同步性和“小世界”特性的减弱。

Micheloyannis S, Vourkas S, Tsirka M, et al.The influence of ageing on complex brain networks: A graph theoreticalanalysis. Hum Brain Mapp, 2009, 30: 200—208

Ferri 等人研究了睡眠期间大脑功能网络拓扑属性的变化, 发现在

整个睡眠期间, 包括慢波睡眠阶段和快速眼动睡眠阶段, 大脑网络的“小世界”属性都显著增强, 提示了睡眠过程中大脑可能在进行信息整合和神经重塑等

活动。

Ferri R, Rundo F, Bruni O, et al. Small-worldnetwork organization of functional connectivity of EEG slow-wave activity during sleep. ClinNeurophysiol, 2007, 118: 449—456

随后, Dimitriadis 等人进一步发现在睡眠的不同阶段, 大脑功能网络的拓扑结构存在显著的区别, 且通过由数据驱动的聚类方法可以将不同的睡

眠阶段区分开来。

Dimitriadis S I, Laskaris N A, DelRio-Portilla Y, et al. Characterizing dynamic functional connectivity acrosssleep stages from EEG. Brain Topogr, 2009, 22: 119—133

2004 年, Stam首次利用脑磁图在无任务状态下建立了健康被试不同频段内的大脑无向功能网络,发现低频(<8 Hz)和高频波段(>30 Hz)的网络结构都具有“小世界”特性, 而中间频段(8~30 Hz)的网络结构则近似于规则网络, 不同频段网络结构间的差异表明不同频段的大脑活动可能对应着不同的大脑功能, 高频和低频波段的“小世界”网络结构反映了相应频段下大脑优化的信息处理过程。

Stam C J. Functional connectivity patterns ofhuman magnetoencephalographic recordings: A ‘small-world’ network? NeurosciLett, 2004,355: 25—28

随后, Bassett等人利用诱发脑磁图(ERF)研究了不同频率段(1.1~75Hz)不同任务状态下脑功能网络的拓扑特性,发现不同频段下的功能网络均满足“小世界”性质,提示了脑网络在不同的频段下具有自相似网络结构的分形(fractal)特性。 另外, 该研究还发现各频段脑网络的全局拓扑性质都比较稳定, 不会受运动任务的影响而发生变化。 但值得注意的是, 在高频波段, 研究者发现大脑额叶和顶叶区域涌现出了新的功能连接和核心节点。 这一结果说明脑网络在维持“小世界”结构的同时, 也在自发地调节神经系统之间的局部连接以实现不同的功能需求。

Bassett D S, Meyer-Lindenberg A, Achard S, etal. Adaptive reconfiguration of fractal small-world human brain functionalnetworks. Proc Natl Acad Sci USA, 2006, 103: 19518—19523

表3 列举了基于脑电/脑磁的脑功能网络领域中研究文献的简要内容。

明天见。

感谢/brain.bnu.edu.cn。

引自csb.scichina.com。

图片引自原文献。