王天宇 鄭 昱 楊思嘉 張力偉 王 帆**

（1）北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191；2）首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科，北京 100070；3）北京市神經(jīng)外科研究所，北京 100070；4）中國科學(xué)院生物物理研究所，北京 100101；5）中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

腦磁圖（magnetoencephalography，MEG）是一種先進(jìn)的、無創(chuàng)的神經(jīng)電生理檢測技術(shù)，用于研究人類的大腦神經(jīng)活動。它通過測量腦細(xì)胞電流產(chǎn)生的微小磁場，從而反映大腦神經(jīng)元的電活動［1］。這項技術(shù)為大腦功能研究提供了高空間和時間分辨率的信息，對腦功能和神經(jīng)疾病的研究具有巨大的價值。與其他腦成像技術(shù)相比，MEG 展現(xiàn)出了更高的靈敏度和準(zhǔn)確性，能夠更精確地定位大腦的活動區(qū)域。然而，傳統(tǒng)的基于超導(dǎo)量子干涉（superconducting quantum interference device，SQUⅠD）的MEG 在皮層探測方面具有一定的局限性。由于液氦杜瓦罐的限制，SQUⅠD-MEG傳感器主要沿徑向布置，導(dǎo)致對不同方向的皮層信號的探測靈敏度存在差異。這意味著某些方向?qū)τ赟QUⅠD-MEG而言是其探測的“盲區(qū)”。通常來說，當(dāng)探測垂直于顱骨的皮層表面時，其信號效果最佳，但在探測腦回信號時可能會有損失［2］。例如，聽皮層位于顳橫回區(qū)域，這個區(qū)域同時存在腦回和腦溝的解剖結(jié)構(gòu)，而很多這樣的區(qū)域位于SQUⅠDMEG 的理論盲區(qū)方向上。這些盲區(qū)可能會阻礙人們對大腦的全面理解，因此，有新的技術(shù)克服這些限制是非常有價值的。

光泵磁強(qiáng)計（optically pumped magnetometer，OPM）是近年來開發(fā)的一種適用于MEG的傳感器技術(shù)。與SQUⅠD-MEG 相比，OPM 傳感器在室溫下工作（工作溫度-25℃至+60℃），并且可以在頭皮表面靈活地布置［3］。這使得OPM-MEG 系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的測量需求，并提供更高的測量靈活性。目前，已經(jīng)驗證的OPM-MEG任務(wù)刺激模式包括聽覺誘發(fā)場［4-7］、視覺誘發(fā)場［8-12］和體感誘發(fā)場評估［13］。此外，據(jù)報道，OPM-MEG 還可以檢測到小腦［14］和海馬［15］信號，并在腦深部信號探索過程中進(jìn)行源定位。這一特性使得OPM-MEG在腦科學(xué)研究中具有更廣泛的應(yīng)用前景。相較于SQUⅠD-MEG，OPM-MEG 的另一個重要優(yōu)勢是能夠在單個探頭中整合多個軸向的傳感器。這種設(shè)計使得OPM-MEG能夠探測到比SQUⅠD-MEG更多方向上的信號，并提供更全面的信息。因此，可以說OPM-MEG 不 僅 結(jié) 合 了 腦 電 圖（electroencephalography，EEG）與SQUⅠD-MEG 的優(yōu)點(diǎn)，而且在檢測具有復(fù)雜傳導(dǎo)方向的神經(jīng)中樞電生理信號方面具有巨大的潛力。這為腦科學(xué)研究領(lǐng)域開辟了新的可能性，并有望為神經(jīng)疾病的診斷與治療提供更準(zhǔn)確、更全面的技術(shù)支持。

頻率跟隨反應(yīng)（frequency-following response，F(xiàn)FR）就是一種涉及多個傳導(dǎo)方向的鎖相神經(jīng)活動的記錄，反映了對聲音刺激的短暫周期性反應(yīng)。其信號可以通過表面電極、EEG和MEG［16-18］等進(jìn)行記錄。傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為這種聲音刺激的高時間精度處理與經(jīng)典的聽覺通路一致，沿聽覺神經(jīng)、耳蝸核、下丘、丘腦和初級聽覺皮層傳遞［19］。然而，近年來研究者們發(fā)現(xiàn)，皮層和皮層下結(jié)構(gòu)都參與了FFR 信號的生成和傳導(dǎo)。例如，Coffey 等［20-21］在一項突破性的研究中使用SQUⅠD-MEG報告了FFR具有皮質(zhì)貢獻(xiàn)。因此，人們逐漸認(rèn)識到FFR不僅存在“自下而上”的路徑，而且也是一個受到“自上而下”調(diào)控的復(fù)雜聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在FFR檢測的技術(shù)選擇方面，雖然EEG常被用作檢測手段［18］，但MEG 在探測這類信號時具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。MEG 能夠提供比EEG 更準(zhǔn)確的位置信息，并且由于其高時間分辨率（類似于EEG），在探索視聽等反應(yīng)信號方面，它比功能磁共振成像（fMRⅠ）更為有效。

本研究采用新型的OPM 傳感器陣列，探測了FFR這一真實生理信號在不同腦區(qū)的切向（以下稱Y軸）和徑向（以下稱Z軸）兩個軸向上的信號分布情況。通過分析這一同時具有皮層和皮層下貢獻(xiàn)的信號，旨在探索OPM-MEG在人腦內(nèi)真實磁信號探測中的軸向特征。這樣的探索將有助于更深入地理解FFR的生理機(jī)制，以及OPM-MEG在腦科學(xué)研究中的獨(dú)特優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

1 方 法

本研究招募了10名健康志愿者進(jìn)行實驗（4名女性，平均年齡27歲）。在對參與者進(jìn)行純音聽力閾值評估時，結(jié)果顯示他們在各純音閾值上均具有15 dB聽力級的聽力水平，且未報告任何神經(jīng)或精神疾病病史。本實驗程序經(jīng)過北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)倫理委員會的批準(zhǔn)（批準(zhǔn)號BM20190001），實驗過程符合倫理標(biāo)準(zhǔn)。此外，所有參與者都簽署了知情同意書，明確了解實驗?zāi)康摹⑦^程和可能的風(fēng)險，并同意參與實驗。

在本研究中，F(xiàn)FR的刺激是通過軟件生成的音調(diào)為89 Hz的正弦波音頻來實現(xiàn)的。為了確保對刺激的響應(yīng)強(qiáng)度，波形振幅被設(shè)置為最大值。這些刺激通過帶有泡沫耳塞的ER-3A 插入式耳機(jī)（Etymotic Research Ⅰnc.）以相同振幅呈現(xiàn)給參與者雙耳。每個單次200 ms 聲音刺激記錄為1 個試次，相鄰兩個刺激以正反兩個相位進(jìn)行呈現(xiàn)，每1 000個試次生成一個記錄文件（持續(xù)時間約為670 s）。刺激間間隔（inter-stimulus interval，ⅠSⅠ）被設(shè)置為隨機(jī)400～450 ms，以確保ⅠSⅠ至少是2 個試次之間刺激持續(xù)時間的2倍。音頻的呈現(xiàn)和控制是通過PsychoPy3 程序（V2020.1.3；?J.W.Peirce）來實現(xiàn)的。在實驗中，通過聲卡直連數(shù)據(jù)采集測得刺激從播放到人耳接收的延遲為210 ms，并有±10 ms 的抖動。在隨后的數(shù)據(jù)處理中，這些延遲和抖動都進(jìn)行了歸一化和校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實驗的刺激波形和范式如圖1所示。這種實驗設(shè)計能夠準(zhǔn)確地捕捉和分析FFR信號，進(jìn)而探究人腦對聲音刺激的反應(yīng)機(jī)制。

測量工作在一個屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，使用了由9通道OPM 傳感器（Gen-1.5/2.0 QZFM；QuSpin Ⅰnc.，USA）組成的陣列。這些OPM 傳感器被安裝在一個特別設(shè)計的3D 打印頭盔上，這個頭盔在考慮深部腦區(qū)，特別是腦干區(qū)域的探測需求時，進(jìn)行了獨(dú)特的設(shè)計。與國內(nèi)外文獻(xiàn)中報道的其他設(shè)計相比，該頭盔在顳葉和枕葉附近進(jìn)行了更進(jìn)一步的向下延伸，以適應(yīng)這些區(qū)域的探測需求。OPM-MEG系統(tǒng)的傳感器從Y軸和Z軸同時收集數(shù)據(jù)，這種設(shè)計能夠捕捉到更多方向上的神經(jīng)活動信號。數(shù)據(jù)通過模擬信號接入兩張16 位的NⅠ（National Ⅰnstruments，USA）數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行獲取。為了屏蔽可能產(chǎn)生的電磁偽影，OPM 傳感器的信號和同步采集的音頻信號分別通過兩張不同的采集卡進(jìn)行收集，采樣率為2 000 Hz。由于傳感器的數(shù)量限制，分次測量了左右顳葉和枕葉的感興趣區(qū)的信號。此外，為了驗證OPM-MEG 系統(tǒng)的有效性，還使用了一個擁有275 個SQUⅠD 通道的CTF-MEG 系統(tǒng)（DSQ-3500，MⅠSL-CTF，Canada）以相同的實驗范式進(jìn)行了對比檢測。這將有助于OPM-MEG 系統(tǒng)的性能評估，并進(jìn)一步理解其在腦科學(xué)研究中的應(yīng)用潛力。

OPM 的數(shù)據(jù)處理是使用MATLAB R2020a（The MathWorks，Ⅰnc.）軟件的Fieldtrip 工具箱進(jìn)行的［22］。所有統(tǒng)計數(shù)據(jù)使用ⅠBM SPSS statistics 24（Ⅰnternational Business Machines Corp.）進(jìn)行分析計算。在讀取標(biāo)記點(diǎn)信息后，每個試次被重新分割為均勻的600 ms片段，整個數(shù)據(jù)集包含1 000個試次。數(shù)據(jù)處理過程中，進(jìn)行了40～140 Hz的帶通濾波，并采用功率譜密度（power spectrum density，PSD）、波形疊加平均和小波時頻分析來確認(rèn)信號的真實性。為了獲得具有FFR 特征的波形信息，從一個數(shù)據(jù)集中選取了800個試次的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加平均并進(jìn)行后續(xù)分析。在波形結(jié)果的提取中，首先提取了刺激段（0～0.2 s）內(nèi)全部傳感器的波形峰-峰值，然后對10 名被試在左右顳兩個區(qū)域的全傳感器峰-峰值進(jìn)行平均，以得到每個被試在該區(qū)域的響應(yīng)測量均值和波動情況。接著，利用希爾伯特變換將波形轉(zhuǎn)換為包絡(luò)，計算了每個參與者在給予刺激時段的各傳感器波形包絡(luò)線下面積，以實現(xiàn)能量的定量化分析。針對目視分析不具有特征性波形和包絡(luò)線的數(shù)據(jù)，本文認(rèn)為其未檢測到有效信號，并在數(shù)據(jù)分析中進(jìn)行了剔除。在統(tǒng)計學(xué)驗證方面，采用了非參數(shù)檢驗的方法。

2 結(jié) 果

本研究通過OPM-MEG技術(shù)探測了健康志愿者在接收到聲音刺激時的FFR信號，并對其在Y軸和Z軸上的信號能量分布進(jìn)行了分析。經(jīng)過對800 個試次的信號進(jìn)行疊加處理后發(fā)現(xiàn)，Y軸和Z軸上的信號能量均值分別為0.971 0 和0.767 3，但兩者的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.438）。然而，在進(jìn)一步分析各區(qū)域中Y軸和Z軸信號的相對值分布情況時，結(jié)果顯示左顳區(qū)域的信號分布與其他兩個區(qū)域存在差異，這種差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.049）（圖2c）。此外，通過將這些傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)入頭盔結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D（圖2b）中，可繪制出信號拓?fù)鋱D，可以看出從拓?fù)鋱D上信號呈現(xiàn)明顯左側(cè)偏側(cè)性，與SQUⅠD-MEG結(jié)果相近（圖2a）。

隨后，通過3種不同的分析方法驗證了信號的真實性。圖3展示了OPM（左）和SQUⅠD（右）-MEG的結(jié)果，包括PSD（上）、波形（中）和時頻分析（下）。這些結(jié)果均來自右顳區(qū)域的單個傳感器，OPM為000E，SQUⅠD則為MRT22。PSD分析結(jié)果顯示，在89 Hz附近存在能量信號峰值。經(jīng)過40～140 Hz的帶通濾波處理后，波形疊加結(jié)果進(jìn)一步揭示了高能量段與聲音刺激在相位上的良好吻合，并且延遲超過5 ms。這些證據(jù)證實了，測量到的信號確實來源于聽覺誘發(fā)反應(yīng)（FFR），并且排除了耳機(jī)產(chǎn)生的偽影可能性。此外，小波時頻分析的結(jié)果也一致表明，在該時間段內(nèi)，OPM 信號在89 Hz附近呈現(xiàn)能量升高。需要注意的是，由于OPM是磁強(qiáng)計而SQUⅠD是梯度計，在獲得的波形讀數(shù)絕對值上，二者之間存在一定差異。這種差異是由于它們不同的工作原理所致，但并不會影響對信號真實性的驗證。

進(jìn)一步的研究關(guān)注于刺激段（0～0.2 s）內(nèi)的信號數(shù)據(jù)。針對這一時段，詳細(xì)提取了10 名被試全傳感器的波形峰-峰值，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析。當(dāng)對每名被試左右顳兩個區(qū)域的全傳感器峰-峰值分別進(jìn)行平均時，可以清晰地得到每個被試在這兩個區(qū)域的響應(yīng)測量均值及波動情況。圖4直觀地展示了這10 名參與者各自雙區(qū)域全傳感器的信號峰-峰值均值。在統(tǒng)計學(xué)分析的結(jié)果中，注意到一個有趣的現(xiàn)象。在單一區(qū)域內(nèi)，各傳感器間的測量一致性表現(xiàn)得相當(dāng)好，這體現(xiàn)在每名參與者個體在一個區(qū)域內(nèi)的信號峰-峰值標(biāo)準(zhǔn)差較小。然而，在不同個體之間，甚至是同一個體的不同測量區(qū)域間，均值差異呈現(xiàn)出較大的變動。這種變動可能源自多個因素。盡管在實驗操作過程中，已經(jīng)盡可能地使傳感器表面貼近參與者的頭部，但由于每個參與者對傳感器發(fā)熱的耐受度存在差異，以及他們頭圍大小不一，這使得傳感器與頭部之間的距離在實際操作中難以保持完全一致。因此，分析結(jié)果揭示出一個重要的事實：即使傳感器的位置大致相同，參與者之間的個體差異仍然會對測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計和實施此類研究時，需要考慮并控制參與者個體差異的重要性。未來的研究將更深入地探討這些個體差異的來源，以進(jìn)一步提高測量的一致性和準(zhǔn)確性。

3 討 論

本研究通過利用FFR 這一包含皮層和皮層下貢獻(xiàn)的生理信號，探究了OPM-MEG傳感器Y軸和Z軸信號之間的差異。傳統(tǒng)的SQUⅠD-MEG 由于其傳感器需工作在低溫超導(dǎo)環(huán)境下，體積龐大，只能設(shè)置為單軸測量，因此僅能檢測徑向磁場。這一局限性導(dǎo)致傳統(tǒng)的MEG 技術(shù)在探測腦回的電生理活動時存在不敏感的問題，從而限制了MEG 技術(shù)的應(yīng)用范圍。然而，本研究證實，通過使用OPMMEG 傳感器，能夠發(fā)現(xiàn)Y軸信號分布確實可以檢測到與Z軸不同的目標(biāo)信號。實驗中甚至發(fā)現(xiàn)，能探測到有效目標(biāo)信號的傳感器Y軸數(shù)量多于Z軸。這些結(jié)果證明，OPM-MEG在實際神經(jīng)電生理信號多軸向測量方面相比SQUⅠD-MEG具有優(yōu)勢。重要的是，這些新增的Y軸電磁生理信息可能包含更豐富的與神經(jīng)解剖學(xué)相關(guān)的腦回功能區(qū)信息。這將為神經(jīng)科學(xué)研究提供更全面、更精確的MEG 數(shù)據(jù)，有助于更深入地理解大腦的功能和機(jī)制。因此，本研究揭示了OPM-MEG在神經(jīng)科學(xué)研究中的潛力和優(yōu)勢，為MEG技術(shù)的發(fā)展開辟了新的可能性。

另外，信號幅值在個體之間以及不同區(qū)域之間的差異性較為明顯（圖4）。這種差異可能與多個因素有關(guān)，其中之一就是不同參與者對傳感器發(fā)熱的耐受度不同，導(dǎo)致傳感器與頭皮之間的距離存在差異。這個因素可能會影響到信號的強(qiáng)度和幅值，因為真實的神經(jīng)電生理信號強(qiáng)度隨著距離的衰減情況可能比預(yù)期更大。這也意味著，簡單的偶極子模型可能不足以解釋這種近場源信號。當(dāng)傳感器距離皮層足夠近時，神經(jīng)信號可能不應(yīng)再被視為偶極子模型，而應(yīng)被視為具有一定面積的均值磁場進(jìn)行分析，這個猜想涉及到對神經(jīng)電生理信號更深入和精確的理解。然而，這個猜想還需要進(jìn)一步的實驗研究來證實。將在下一步的研究中探索聽覺信號在不同距離下的強(qiáng)度，以驗證這一猜想。

空間位置和與參與者頭皮距離的微小變化可能會對傳感器讀數(shù)產(chǎn)生顯著影響，從而導(dǎo)致不同被試在同一位置的傳感器數(shù)據(jù)存在較大差異。這強(qiáng)調(diào)了單一傳感器測量數(shù)據(jù)絕對值的局限性，因為微小的變化可能會對數(shù)據(jù)解釋產(chǎn)生顯著影響。為了獲得穩(wěn)定和有效的腦區(qū)數(shù)據(jù)，建議在目標(biāo)區(qū)域布置盡可能多的傳感器，以抵消這種差異。通過這種方法，可以對來自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均或綜合分析，以減少空間位置變動對數(shù)值的影響。這種策略可以提高測量的可靠性和準(zhǔn)確性。此外，空間位置變動對數(shù)值的影響還可能與腦溝回的解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)。由于難以將指定傳感器精確布置在某一腦回的正上方，微小的偏差可能導(dǎo)致深部對應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。這對于OPM-MEG 傳感器來說可能尤為重要，因為OPM-MEG的測量距離較短，對頭皮與傳感器之間的距離變化更為敏感。相比之下，在SQUⅠD-MEG中這種情況表現(xiàn)得并不明顯，這可能是因為SQUⅠD-MEG的測量距離較遠(yuǎn)，即使頭皮緊貼杜瓦罐，測量到的磁信號距離也可能超過了腦磁近場源范圍的閾值。因此，在SQUⅠD-MEG中，空間位置變動的影響可能相對較小。綜上所述，在使用OPM 傳感器進(jìn)行研究時，應(yīng)格外注意空間位置變動可能對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。在未來的研究中，可以考慮采用多傳感器布置和綜合分析的方法，以提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，對于不同參與者和不同試次中的測量數(shù)據(jù)，也需要謹(jǐn)慎對待，因為它們可能并不代表完全相同的深部解剖結(jié)構(gòu)。

雙側(cè)聽皮層位于顳橫回區(qū)域，這使得聽覺相較于視覺、觸覺和運(yùn)動感覺等皮層更有可能同時存在腦溝和腦回的信號。因此，本文選擇將聽覺誘發(fā)反應(yīng)（FFR）作為刺激物進(jìn)行研究。同時，由于皮層切向電流的存在，Y軸和Z軸信號可能同時出現(xiàn)在這兩個區(qū)域。然而，在腦干等深部腦區(qū)，情況略有不同。信號沿著腦干通路向上傳遞，經(jīng)過主要核團(tuán)如耳蝸核、下丘和丘腦等。由于腦干位于腦深部區(qū)域，并非嚴(yán)格垂直于Y軸或Z軸，因此在這兩個軸向上都可以探測到其信號的分量（圖5）。值得注意的是，前文提及在左顳區(qū)域，Y軸能量大于Z軸的探頭數(shù)量相較其他兩個區(qū)域明顯更多。這提示，雙側(cè)皮層在處理FFR信號過程中的作用可能存在差異，或可能表現(xiàn)出信號的偏側(cè)性。因此，無需考慮磁信號的絕對值，僅通過比較Y軸和Z軸磁信號的相對值，就有可能揭示神經(jīng)電生理機(jī)制存在的差異。

本文還進(jìn)一步計算了傳感器Y軸和Z軸的向量和。結(jié)果表明，簡單地將傳感器兩個方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量求和，得到空間上的虛擬傳感器數(shù)據(jù)，雖然能夠增加信號的幅值，但對信噪比沒有改善。此外，考慮到切向和徑向磁場可能具有不同的生理意義，也不應(yīng)簡單將雙軸信號直接合并。為了充分利用雙軸探頭改善數(shù)據(jù)，研究者應(yīng)更多地考慮增加的空間信息對定位精度的提升。Brookes等［2］在其研究中對三軸傳感器的理論優(yōu)勢進(jìn)行了分析，證明了這些額外的信息可以顯著改善電活動的時域和空間分布特性，并且其使用雙軸傳感器進(jìn)行了運(yùn)動感覺信號的分析。因此，將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步驗證雙軸傳感器空間定位優(yōu)勢的假設(shè)，以期望能夠更準(zhǔn)確地解讀和理解大腦的電生理活動。

4 結(jié) 論

本研究成功證實了雙軸OPM-MEG在測量真實生理信號方面的能力，并展示了雙軸測量在獲取更豐富信息方面的優(yōu)勢。同時還發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的MEG技術(shù)可能忽略了大量重要的腦功能活動，這些活動位于傳統(tǒng)MEG 無法記錄的信號盲區(qū)中。因此，利用徑向單軸MEG 記錄建立的腦內(nèi)神經(jīng)電活動模型存在很大的優(yōu)化空間。OPM-MEG的多軸記錄特性為腦科學(xué)研究與腦疾病診斷領(lǐng)域帶來了巨大的潛力。通過獲取更全面的信息，可以更深入地理解大腦的功能機(jī)制，并更準(zhǔn)確地定位腦內(nèi)活動。這將為神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展提供新的可能性，并為腦疾病的診斷和治療提供更加精確的工具。

推薦編委卓彥