第3期 雷旭等：睡眠的同步EEG-fMRI研究述评 453 程的改变情况，Wehrle等人使用非唤醒的声音对 主磁体的稳定性在长时间的记录中也难以得到保证， 正常被试进行了刺激(Wehrle et al.,2007)。EEG记 导致信号强度漂移，氦压缩散热机如果在实验中短 录以及成像结果表明清醒和REM睡眠期都有海 暂关闭，对于EEG会形成难以去除的伪迹。由于这 马皮层的较高活动，对外界的感觉整合并不发生 些因素MRI的睡眠研究通常不采用整夜记录。此 在REM期。将经典高频EEG活动和肌肉缓驰作 外根据成像参数还需考虑BOLD活动的生理伪迹与 为判断标准区分出的REM睡眠期只有有限数量 心血管、呼吸噪音的关联会增加等问题。 的快速眼动活动出现。通过对比觉醒状态和不同 最早的静音式MRI记录采用脉冲序列设计， 数量快速眼动现象出现的REM期对声音刺激的 以避免快速梯度转换带来的高强噪声，无声爆发 BOLD反应，研究者观察到两种有区别的活动模 式脉冲序列(silent BURST)和无声梯度快速回波 式。皮层在该睡眠期对听觉刺激的皮层激活模式 序列(silent gradient fast echo)是其中的代表。相比 和清醒状态时相似，表现为正的BOLD响应，但 于平面回波成像(EP序列这些成像序列的缺点是 是其激活幅度大大降低。和这些发现相反的是， 信噪比都比较低。而且受到序列时长的限制，通 在有较多快速眼动出现的REM睡眠期间，对听觉 常只能扫少量几层而不能覆盖全脑。而优点则在 刺激的反应表现出包括丘脑在内的广泛负激活， 于EEG记录中成像造成的伪迹较小，这使得该成 但是没有观察到听觉皮层的激活。刺激引发的反 像序列可以通过消除无关的频率位置实现对EEG 应被强烈地抑制了，这与采用ERP进行REM睡 的伪迹去除。 眠研究的结果一致，另外还观察到外界刺激时 交替采集法在EPI采集的间隙进行EEG记录 REM数量的诚少以及丘脑皮层信号强度的降低。 以克服磁场梯度伪迹。如图2所示，在没有梯度 分析丘脑BOLD活动的时间相关性表明，丘脑皮 干扰的两次扫描间可以重复播放EPI扫描噪声以 层的同步化活动在不同数量快速眼动活动的 保证背景噪音一致来避免被试苏醒。重复播放声 REM睡眠中变化也很大。 音并不干扰EEG的在线记录，但它们通常和实际 这些发现支持了丘脑皮层激活与REM睡眠 梯度噪音的频率特征有一定出入，当转换到数据 高度相关的观点。Llinas和Pare认为，大脑在 采集时还是有唤醒被试的可能。为了消除这种潜 REM睡眠阶段高度的活动状态可能存在功能的 在影响，最好是采用一个模拟程序来运行扫描仪 独立倾向而形成一个“闭合回路”，反映了内在高 以达到提供扫描噪音而不采集数据的目的。在模 度激活的脑状态(Llinas&Pare,1991)。 拟运行时的真实梯度转换具有匹配声音频率的优 势，而且扫描仪震动也会传给被试，但这种程序 3 睡眠同步记录的影响因素 需要在线EEG伪迹矫正以分辨感兴趣的睡眠阶段 睡眠的同步采集需要搭建EEG和fMRI两套 是否出现。 记录系统，由于每个系统自身的局限性，使得同 3.2被试因素 步实验比单模态实验更难开展，在硬件构成、被 扫描仪中被试的舒适性需要特别注意，例如 试安全和数据质量方面特别需要重视。 电极块会导致被试疼痛，强制固定头动和仰卧姿 3.1硬件因素 势也会让人不适，最终使被试难以入睡或保持睡 对于睡眠记录来说，脑电设备方面需要设计 眠。参加睡眠fMRI研究的被试大都会报告在磁 额外的电极和采用更长的电缆布线来记录EOG 共振谱仪中难以入睡，入睡后容易惊醒。噪音环 和EMG。对于大部分电生理记录设备，信号质量 境本身还会引起睡眠潜伏期延长，破坏睡眠结构， 都会随着时间下降，佩戴时间过长还会导致电极 导致睡眠各时相以及总体睡眠时间的减少。而且 点和头皮的接触不良。睡眠长时间记录过程中一 只选择能在扫描仪中入睡的被试可能会引起选择 些电极的记录质量也会剧烈恶化，而这些电极在 偏向，这种单一类型被试可能表现出一种区别于 被试醒来前是无法重置的。另一方面，对于磁共 一般人的特殊的睡眠模式或者睡眠保护机制。 振扫描设备来说，扫描仪长时间运转会影响成像 目前主要有两种方法来提高被试的入睡率， 质量：线圈在持续长时间的快速大幅度梯度磁场 一种是在模拟扫描仪中对被试进行适应性训练， 释放中温度会迅速升高，使线圈本身变得不稳定； 通过一段时间的适应使其能在嘈杂或者不舒适的第 3 期 雷 旭等: 睡眠的同步 EEG-fMRI 研究述评 453 程的改变情况, Wehrle 等人使用非唤醒的声音对 正常被试进行了刺激(Wehrle et al., 2007)。EEG 记 录以及成像结果表明清醒和 REM 睡眠期都有海 马皮层的较高活动, 对外界的感觉整合并不发生 在 REM 期。将经典高频 EEG 活动和肌肉缓驰作 为判断标准区分出的 REM 睡眠期只有有限数量 的快速眼动活动出现。通过对比觉醒状态和不同 数量快速眼动现象出现的 REM 期对声音刺激的 BOLD 反应, 研究者观察到两种有区别的活动模 式。皮层在该睡眠期对听觉刺激的皮层激活模式 和清醒状态时相似, 表现为正的 BOLD 响应, 但 是其激活幅度大大降低。和这些发现相反的是, 在有较多快速眼动出现的 REM睡眠期间, 对听觉 刺激的反应表现出包括丘脑在内的广泛负激活, 但是没有观察到听觉皮层的激活。刺激引发的反 应被强烈地抑制了, 这与采用 ERP 进行 REM 睡 眠研究的结果一致, 另外还观察到外界刺激时 REM 数量的减少以及丘脑皮层信号强度的降低。 分析丘脑 BOLD 活动的时间相关性表明, 丘脑皮 层的同步化活动在不同数量快速眼动活动的 REM 睡眠中变化也很大。 这些发现支持了丘脑皮层激活与 REM 睡眠 高度相关的观点。Llinás 和 Paré 认为, 大脑在 REM 睡眠阶段高度的活动状态可能存在功能的 独立倾向而形成一个“闭合回路”, 反映了内在高 度激活的脑状态(Llinás & Paré, 1991)。 3 睡眠同步记录的影响因素 睡眠的同步采集需要搭建 EEG 和 fMRI 两套 记录系统, 由于每个系统自身的局限性, 使得同 步实验比单模态实验更难开展, 在硬件构成、被 试安全和数据质量方面特别需要重视。 3.1 硬件因素 对于睡眠记录来说, 脑电设备方面需要设计 额外的电极和采用更长的电缆布线来记录 EOG 和 EMG。对于大部分电生理记录设备, 信号质量 都会随着时间下降, 佩戴时间过长还会导致电极 点和头皮的接触不良。睡眠长时间记录过程中一 些电极的记录质量也会剧烈恶化, 而这些电极在 被试醒来前是无法重置的。另一方面, 对于磁共 振扫描设备来说, 扫描仪长时间运转会影响成像 质量：线圈在持续长时间的快速大幅度梯度磁场 释放中温度会迅速升高, 使线圈本身变得不稳定; 主磁体的稳定性在长时间的记录中也难以得到保证, 导致信号强度漂移; 氦压缩散热机如果在实验中短 暂关闭, 对于 EEG 会形成难以去除的伪迹。由于这 些因素 fMRI 的睡眠研究通常不采用整夜记录。此 外根据成像参数还需考虑 BOLD 活动的生理伪迹与 心血管、呼吸噪音的关联会增加等问题。 最早的静音式 MRI 记录采用脉冲序列设计, 以避免快速梯度转换带来的高强噪声, 无声爆发 式脉冲序列(silent BURST)和无声梯度快速回波 序列(silent gradient fast echo)是其中的代表。相比 于平面回波成像(EPI)序列这些成像序列的缺点是 信噪比都比较低。而且受到序列时长的限制, 通 常只能扫少量几层而不能覆盖全脑。而优点则在 于 EEG 记录中成像造成的伪迹较小, 这使得该成 像序列可以通过消除无关的频率位置实现对 EEG 的伪迹去除。 交替采集法在 EPI 采集的间隙进行 EEG 记录 以克服磁场梯度伪迹。如图 2 所示, 在没有梯度 干扰的两次扫描间可以重复播放 EPI 扫描噪声以 保证背景噪音一致来避免被试苏醒。重复播放声 音并不干扰 EEG 的在线记录, 但它们通常和实际 梯度噪音的频率特征有一定出入, 当转换到数据 采集时还是有唤醒被试的可能。为了消除这种潜 在影响, 最好是采用一个模拟程序来运行扫描仪 以达到提供扫描噪音而不采集数据的目的。在模 拟运行时的真实梯度转换具有匹配声音频率的优 势, 而且扫描仪震动也会传给被试, 但这种程序 需要在线 EEG伪迹矫正以分辨感兴趣的睡眠阶段 是否出现。 3.2 被试因素 扫描仪中被试的舒适性需要特别注意, 例如 电极块会导致被试疼痛, 强制固定头动和仰卧姿 势也会让人不适, 最终使被试难以入睡或保持睡 眠。参加睡眠 fMRI 研究的被试大都会报告在磁 共振谱仪中难以入睡, 入睡后容易惊醒。噪音环 境本身还会引起睡眠潜伏期延长, 破坏睡眠结构, 导致睡眠各时相以及总体睡眠时间的减少。而且 只选择能在扫描仪中入睡的被试可能会引起选择 偏向, 这种单一类型被试可能表现出一种区别于 一般人的特殊的睡眠模式或者睡眠保护机制。 目前主要有两种方法来提高被试的入睡率, 一种是在模拟扫描仪中对被试进行适应性训练, 通过一段时间的适应使其能在嘈杂或者不舒适的