摘要


血氧水平依赖信号时间相关性的潜在机制尚不清楚。我们使用氧极谱法来更好地表征氧波动及其相关性，并深入了解驱动机制。局部氧波动的功率谱与频率的幂次方（1/f）的β次方成反比，并附加一个以0.06 Hz为中心的带限正分量。相比之下，相关氧信号的功率在约0.01 Hz至0.4 Hz之间呈带限分布，峰值在0.06 Hz。这些结果表明，存在一种驱动脑区间氧相关的带限机制（或多种机制），与驱动局部（1/f）氧波动的机制不同。驱动脑区间氧相关的候选机制包括节律性或伪振荡性静息态功能连接磁共振成像（rs-fcMRI）分析为大脑功能架构提供了深入见解。该方法基于大脑中血氧水平依赖（BOLD）信号的缓慢相关性（例如0.01–0.1 Hz）。这些缓慢相关性的模式已被用于描绘功能网络，并描述这些网络如何发育、随经验变化、在不同个体间变异以及在疾病中受到干扰。缓慢的BOLD波动及其相关性被认为反映了神经过程，但其潜在机制仍未知。我们使用一种高时间分辨率方法——氧极谱法，来表征氧波动的动态，从而深入了解潜在的神经


大脑中常见的两种动态可能与两种不同类型的潜在机制或过程相关。具有窄带限功率的动态可能反映了特定起搏单元的影响。例如，在放松清醒状态下主导脑电图的枕叶α节律，可能起源于α起搏单元，该单元由一组特化的缝隙连接耦合的丘脑皮层神经元组成，这些神经元表现出α频率的内在节律性爆发。尽管大量证据支持这种静息态活动的振荡模型，但该领域的主导假说是相关性源于在解剖学约束的小世界网络内传播的神经活动。该模型预测无标度动态，也称为1/f动态。在1/f动态中，事件幅度与频率成反比，因此大事件罕见而小事件常见。更准确地说，功率可能与频率的（小）指数次方成反比变化：P ∝ 1/f^β，典型指数范围为0至3。1/f动态是复杂动态系统在临界点运行的标志，此时系统处于有序相和无序相之间的平衡状态，尽管1/f动态也可能在其他非临界系统中产生。各种神经信号（如局部场电位）显示1/f特征的事实，激发了将大脑建模为通过自组织过程在临界点运行的模型。


局部BOLD波动具有1/f功率谱。这导致有人提出静息态连接缓慢相关性可能反映了一个临界过程。这假设脑区间氧相关的动态与局部波动的动态相匹配。事实上，三项研究报告BOLD相关性与频率成反比变化（1/f），类似于局部氧。然而，Sasai等人、Achard等人和Cordes等人报告氧相关在约0.04–0.06 Hz处达到峰值，在较低频率处相关性较低——这是一种与1/f明显不同的带限模式。最后，其他研究报告BOLD相关性在低频处达到平台期，这是一种介于1/f和带限动态之间的中间结果。


我们使用氧极谱法直接测量脑区间氧相关的频谱。极谱法是BOLD功能磁共振成像的一种侵入性替代方法，能够以比标准功能磁共振成像技术更高的时间分辨率、更高的频率特异性和更宽的频率范围稳健地记录局部氧波动。我们在清醒、静息的猕猴中测量了默认网络（双侧后扣带回皮层（PCC）23区）和视觉/注意网络（双侧V3）的氧波动。在此，我们报告同侧区域之间的相关性是带限的而非1/f的。此外，我们表明局部氧波动的方差可以分离为1/f分量和带限分量。只有带限分量与长程相关相关。这表明存在一种带限机制


意义


功能连接磁共振成像彻底改变了我们对大脑架构的理解。氧水平的相关变化揭示了区域网络。这些网络各自与特定功能相关，在不同个体和物种间保守。正常发育、学习和精神障碍与微妙的网络变化相关，为大脑如何工作提供了深入见解。值得注意的是，功能连接的基础仍未知。尽管一些研究报告了与振荡过程一致的数据，但主导假说涉及复杂分布式网络的新兴、无节律动态（"临界性"假说）。通过使用一种新的基于电极的技术，我们表明功能连接与临界性无关，而是与特定的、可能可定位的振荡过程相关。这一发现为识别功能连接背后的机制提供了工具。


材料与方法


动物、行为和刺激。 两只猕猴作为本研究的对象。动物的护理和处理符合实验动物护理和使用指南，所有程序均经华盛顿大学动物研究委员会批准。记录期间，猕猴充分水合并坐在暗室中头部固定。行为不受约束，动物对任务或奖励没有预期。动物在装置中自然放松。自发眼球运动的速度通常减慢，眼睑经常部分或完全闭合（两只猴子分别为64%和17%的时间）。下面讨论的结果对两只猴子相似，因此数据合并。补充文本中报告的结果来自另外两只猕猴的数据。


记录。 使用解剖学磁共振成像图像和生理学将电极靶向V3和PCC。简要地说，每只动物的大脑通过双侧15 mm（内径）慢性定制记录腔进入。使用腔内的定制体模获得T1加权磁共振成像图像（磁化准备快速采集梯度回波成像，0.5 mm各向同性体素），该体模提供腔的可视化，并允许将基于腔的坐标系虚拟投影到大脑中。在一只猴子中，放置了两个小的锰注射以确认对齐。在数据采集之前，在磁共振成像图像上定义PCC和V3记录区域的边界。PCC和V3的位置进一步基于它们对视觉刺激的各自氧和电生理反应进行验证，这些反应在静息态数据之前立即记录。


为记录氧信号，我们使用专用铂微电极（FHC库存号UE(LS3)）作为阴极。Ag/AgCl参比电极（Grass Technologies）放置在头部背面，该位置下方肌肉组织最少，对身体或肢体运动无反应。皮肤轻轻磨损以最小化汗液和运动电位，并涂抹一层Ten20脑电图糊。铂阴极相对于参比电极以-0.8 V极化（Unisense PA2000）。维持极化所需的电流与氧水平成正比。该信号以20 Hz滤波，并使用Plexon MAP系统以1 kHz采样和存储。


我们同时从左和右PCC以及左和右V3记录氧信号。记录了20个数据集（每只猴子10个），平均长度为40分钟。


分析。 所有分析均使用Matlab（MathWorks）中编写的自定义软件执行。氧极谱信号，如BOLD信号，反映相对而非绝对氧水平。因此，极谱信号如BOLD数据一样，表示为与平均信号水平偏差的百分比。


心率去除。 我们使用递归模板匹配方法识别个体心率脉动。我们从1秒高斯衍生通用心跳模板开始。我们使用滑动窗口方法（1秒窗口，1毫秒增量）将模板与数据具有最大线性相关性的时刻识别为推定的心跳时间。我们使用这些时间生成氧信号的触发心跳平均值。然后我们用这个触发心跳平均值替换心跳模板，并重复分析。执行四次迭代以细化我们对心跳模板和心跳时间的估计。然后使用Fekete等人的方法将估计的心跳效应从氧信号中回归掉，同时考虑瞬时心率。


带通滤波。 带通滤波通过先高通滤波再低通滤波实现。设计切比雪夫II型滤波器，具有定义的通带和阻带。每个滤波器的过渡带为一个八度宽，阻带设置为-80 dB。对于图1B中的相关性，低通和高通滤波器的-3 dB点分别设置为0.01 Hz和0.1 Hz。对于图2A中的相关性，使用具有半倍频程通带的滤波器将氧信号滤波到单个频带中。