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[数据分析] 脑电研究:婴儿睡眠状态间的大尺度脑模态重组为早产提供 [复制链接]

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发表于 2019-8-12 20:36:36 |只看该作者 |倒序浏览
本帖最后由 罗叶双 于 2019-8-12 20:44 编辑

? ?? ???睡眠结构承载着整个生命周期中大脑健康的重要信息。明确表达警戒状态的能力是新生儿神经健康状况的一个重要生理标志,但其机制仍不清楚。来自澳大利亚和芬兰的学者在NATURE COMMUNICATIONS发文,其证明了新生儿从安静到主动睡眠的转变特征是大规模的皮层活动和功能脑网络的重组。这种重组在早产儿中减弱,并能预测两岁时的视觉表现。研究者发现,这些经验效应与大规模脑状态的计算模型之间存在着惊人的匹配。该模型揭示了数据分析中无法检测到的基本生物物理机制。主动睡眠指在一个统一的神经活动模式下减少能量和在两个更复杂的前后脑区模式中增加能量早产儿在这种带有新异预测信息的睡眠相关模态能量重组中表现出缺陷。

导读

行为和亚博体育流水--任意三数字加yabo.com直达官网状态的改变是由大脑功能网络模态转变引起的。入睡和睡眠状态转换是典型的皮层状态转换,反映在远程脑区之间功能交互模式的重组上。重要的是,早期睡眠结构会塑造大脑发育,并影响未来的行为。因此,了解新生儿的睡眠模式具有重要的临床意义。然而,人们对于早期睡眠状态的神经原理知之甚少。因此,加深对这些基本过程的认识,对于改善大脑健康至关重要。


本研究中,研究者绘制了两组婴儿(足月出生vs. 极端早产儿)不同睡眠状态下的全脑皮质功能相互作用(whole-cortex functional interactions)图测定了婴儿处于主动睡眠(activesleep ,AS)和安静睡眠(quiet sleep,QS)状态时的皮层活动。利用EEG和网络科学的工具,研究者评估了两组婴儿睡眠状态下的全皮质功能连接的频率重组frequency-resolved reconfigurations)。这一分析提供了第一个全面的特征:极端早产儿(extremelypreterm)存在异常睡眠相关的皮质连接重组。此外,研究者考察了早产儿睡眠状态的连接性变化是否对两年后的行为表现有预测作用。


在皮质连接模式的基础上,研究者提出了一种基于神经场论的生物物理模型。该模型可用来研究皮层动力学中睡眠相关变化的神经原理。结果表明,足月出生的婴儿与极早产儿之间出现不同的睡眠相关的皮质连接模式,是由于低维时空神经活动模式中能量再分配的差异所致。



图1 数据收集与分析。(a)对46例极早产儿(EP)和67例足月健康对照婴儿(HC)进行多通道脑电图记录。从两种不同的警戒状态:主动睡眠(AS)和安静睡眠(QS)中选择5分钟长的时期。AS期间EEG的幅值波动相对较小,而QS期间的EEG表现为不连续(轨迹交替),并伴有高幅度信号爆发。(b)采用婴儿头部模型,从带通滤波脑电中计算皮层源信号,分块方案包括58个区域。为了评估大脑中的功能相互作用,计算了分区信号(灰线)的振幅包络(红线)之间的相关系数,生成每个婴儿的睡眠状态和每个频带的连接矩阵。(c)基于网络的统计数据被用来检测连接模式,这些模式根据群体或睡眠状态或这两种因素的不同而有统计上的差异。与早产儿2岁时的主要神经发育结果相比,表现出明显交互作用的皮层模式的连接强度的变化是倒退的。??(d)用婴儿皮层表面(上面板)的几何形状计算皮层特征模(下面板),其动力学形状是高阶皮质连接性的组织形式。



2 皮质皮质功能连接性随睡眠状态的变化。(aα波段睡眠状态的主效应显示在两个主要皮质网络存在显着的连接性差异(红色:AS>QS,蓝色:QS>ASPFWE<0.0002)。不同皮质区域的编码颜色不同:颞叶(绿色)、中央区(粉红色)、枕叶(黑色)和额叶(橙色)。??(b) 这些网络具有不同的特征长度分布和不同的皮质区域分布。曲线是由AS(红色)、QS(蓝色)的边p值(归一化为整个网络)给出的功能连接长度分布。柱状图显示了每个睡眠相关网络中广泛皮质区域的参与。条形图的填充表示每个区域内涉及的节点的百分比。? ?(c)AS(左)和QS(右)睡眠的频谱指纹。色标显示了以不同载波和振幅频率(f)为中心的睡眠对比的效果大小(Cohen’sd)。


补充图1 大脑皮质连接性的变化与睡眠状态和婴儿组别(早产和足月分娩)有关。

(左)睡眠主效应发现两种皮质模式的连接差异显着。第一种模式主要涉及枕叶(红色),而第二种模式包括一组广泛分布在整个大脑的区域(蓝色)。AS>QS(红色): delta frequency, pFWER = 0.022; theta and beta, pFWER<0.0001。QS > AS (蓝色): delta frequency,pFWER = 0.003; theta and beta, pFWER<0.0001.

(右)与健康对照组(HC)相比,极早产儿(EP)组的主要作用表现为远距离皮质区(包括颞叶、中央、枕叶和额叶)。与健康对照组(HC)相比:δ、θ和β频率pFWER<0.0001。在θ频段,HC表现出更高的连接性(pFWER=0.01),它是由额叶、中央和枕部之间的远距离连接组成的一组广泛的脑区。


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