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導(dǎo)讀

睡眠和清醒可以通過腦電活動(dòng)的變化來區(qū)分桌肴，通常使用腦電圖(EEG)來評(píng)估皇筛。非快速眼動(dòng)(NREM)睡眠的標(biāo)志是從高頻、低振幅的清醒EEG轉(zhuǎn)變?yōu)橐约忓N波和慢波為主的低頻坠七、高振幅的睡眠EEG水醋。本研究同時(shí)使用功能磁共振成像(fMRI)和EEG來識(shí)別大腦血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)中的睡眠特征。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)灼捂，在從清醒到睡眠的過渡階段离例，fMRI血氧水平依賴(BOLD)活動(dòng)由混合頻率模式演變?yōu)閮煞N不同的振蕩模式：淺睡眠時(shí)顯著的低頻振蕩(＜0.1Hz)，與紡錘波的出現(xiàn)相關(guān)悉稠；深度睡眠時(shí)顯著的高頻振蕩(＞0.1Hz)宫蛆，與慢波的出現(xiàn)相關(guān)。這兩種振蕩都可以在大腦中檢測(cè)到，但卻表現(xiàn)出不同的時(shí)空模式耀盗。在睡眠過程中想虎，低頻振蕩首先出現(xiàn)在丘腦，然后是后皮層叛拷，最后出現(xiàn)在額葉皮層舌厨，而高頻振蕩首先出現(xiàn)在中腦，然后是額葉皮層忿薇，最后出現(xiàn)在后皮層裙椭。在喚醒過程中，這兩種振蕩首先從丘腦消失署浩，然后是額葉皮層揉燃，最后是后皮層。BOLD振蕩提供了紡錘波和慢波活動(dòng)的局部特征筋栋。它們可以用來監(jiān)測(cè)睡眠或清醒時(shí)的局部發(fā)生情況炊汤，跟蹤在清醒或睡眠轉(zhuǎn)換中哪個(gè)區(qū)域最先入睡或醒來，并調(diào)查局部?jī)?nèi)穩(wěn)態(tài)睡眠過程弊攘。

前言

傳統(tǒng)意義上抢腐，睡眠被認(rèn)為是一種影響全腦協(xié)同活動(dòng)的全局狀態(tài)。相應(yīng)地襟交，人類睡眠期間的大腦活動(dòng)通常使用頭皮EEG來測(cè)量迈倍。非快速眼動(dòng)睡眠(NREM)的標(biāo)志是從高頻、低振幅的喚醒EEG轉(zhuǎn)變?yōu)橐月ê图忓N波為主的低頻婿着、高振幅睡眠EEG授瘦。慢波與大量神經(jīng)元在強(qiáng)烈放電的去極化向上狀態(tài)和沉默的超極化向下狀態(tài)之間的近同步躍遷有關(guān)醋界。它們主要產(chǎn)生于大腦皮層竟宋，影響幾乎所有的皮層神經(jīng)元，以及一些皮層下結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元形纺。相比之下丘侠，紡錘波與由網(wǎng)狀丘腦核和特定丘腦核之間的相互作用觸發(fā)的去極化和超極化周期有關(guān)，并由丘腦-皮層-丘腦回路放大逐样。根據(jù)慢波和紡錘波的顯著性蜗字，NREM睡眠可細(xì)分為過渡(N1)、中間(N2)和深度(N3)睡眠階段脂新。

最近挪捕，局部睡眠和局部清醒的顱內(nèi)研究結(jié)果推翻了睡眠作為一種全局狀態(tài)的觀點(diǎn)。在清醒狀態(tài)下争便，單個(gè)神經(jīng)元表現(xiàn)出短暫的慢波活動(dòng)级零，并伴有短暫的行為障礙。相反滞乙，在深度NREM睡眠期間奏纪，研究人員發(fā)現(xiàn)大腦的某些區(qū)域顯示出類似清醒狀態(tài)的活動(dòng)鉴嗤，這與做夢(mèng)有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明序调，類睡眠和類清醒狀態(tài)并不相互排斥醉锅，而是可以在大腦中同時(shí)發(fā)生，其中一些神經(jīng)元集群顯示出一種狀態(tài)发绢，而其他則表現(xiàn)出另一種狀態(tài)硬耍。他們強(qiáng)調(diào)了監(jiān)測(cè)單個(gè)神經(jīng)元集群的局部狀態(tài)的重要性，而不是整個(gè)大腦的全局狀態(tài)边酒。然而默垄，EEG缺乏監(jiān)測(cè)局部神經(jīng)元狀態(tài)所需的空間分辨率和大腦覆蓋范圍。很難識(shí)別產(chǎn)生頭皮EEG信號(hào)的大腦區(qū)域甚纲，不同的源配置可以產(chǎn)生相同的EEG地形圖口锭。此外，頭皮和顱內(nèi)EEG信號(hào)都對(duì)大腦深部結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)元活動(dòng)不敏感介杆，因此難以監(jiān)測(cè)這些腦區(qū)的神經(jīng)元狀態(tài)鹃操。

本研究使用功能性MRI(fMRI)來探索大腦血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)中睡眠的局部特征，具有全腦覆蓋和更高的空間分辨率春哨。研究者推斷荆隘，fMRI血氧水平依賴(BOLD)活動(dòng)的頻率將顯示從清醒到睡眠的系統(tǒng)性變化，通過腦血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)頻率范圍內(nèi)的慢速波動(dòng)反映紡錘波或慢波的局部活動(dòng)情況赴背。本研究的假設(shè)建立在從清醒到睡眠的BOLD頻譜變化的研究基礎(chǔ)之上椰拒。先前的研究報(bào)告顯示，從清醒到淺睡眠的低頻BOLD活動(dòng)(＜0.1Hz)增加凰荚，以及從清醒到丙泊酚麻醉的高頻BOLD活動(dòng)(＞0.1Hz)的增加燃观。盡管沒有研究這些BOLD頻譜變化與紡錘波或慢波活動(dòng)之間的關(guān)系，但有趣的是便瑟，丙泊酚麻醉可誘發(fā)類似于NREM睡眠的慢波缆毁，這可能是觀察到的高頻BOLD活動(dòng)增加的基礎(chǔ)；此外到涂，兒童發(fā)育期間睡眠紡錘波的出現(xiàn)與低頻BOLD活動(dòng)的增加相吻合脊框。這些研究暗示BOLD頻率與紡錘波或慢波活動(dòng)之間可能存在聯(lián)系，但目前確切的聯(lián)系仍不清楚践啄。

使用同步fMRI和EEG記錄發(fā)現(xiàn)浇雹，在從清醒到睡眠的過渡過程中，fMRI BOLD活動(dòng)從混合頻率模式演變?yōu)閮煞N不同的振蕩模式：淺睡眠時(shí)顯著的低頻振蕩(＜0.1Hz)和深度睡眠中的高頻振蕩(＞0.1Hz)屿讽。低頻和高頻BOLD振蕩功率的時(shí)間過程分別與紡錘波和慢波活動(dòng)的時(shí)間進(jìn)程相關(guān)昭灵。此外，低頻和高頻BOLD振蕩的區(qū)域分布和起始、偏移模式與紡錘波和慢波活動(dòng)相似虎锚。通過提供紡錘波和慢波活動(dòng)的局部特征硫痰，這兩種BOLD振蕩可用于監(jiān)測(cè)局部神經(jīng)元狀態(tài)和檢測(cè)局部睡眠或局部覺醒狀態(tài)。

方法

本研究使用了Tagliazucchi等人(2014)研究中的數(shù)據(jù)集窜护，在該數(shù)據(jù)集中效斑，采集了58名非睡眠剝奪參與者在Siemens Trio 3T MRI掃描儀中入睡時(shí)的同步fMRI和多導(dǎo)睡眠圖EEG記錄。記錄從20:00左右開始柱徙，持續(xù)一個(gè)小時(shí)缓屠。58名參與者中有36名連續(xù)N2或N3睡眠時(shí)間超過10min，并被納后續(xù)的分析护侮。這36名參與者在NREM睡眠中的平均時(shí)間為33.27min敌完，在N2或N3睡眠中的平均時(shí)間為22.80min。采用T2*加權(quán)EPI序列羊初。原始數(shù)據(jù)在SPM 12 (https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)中進(jìn)行預(yù)處理滨溉，使用配準(zhǔn)(頭動(dòng)校正)、畸變校正(補(bǔ)償不均勻磁場(chǎng)长赞，包括頭動(dòng)引起的磁場(chǎng))和生理噪聲校正(去除生理和運(yùn)動(dòng)偽影)晦攒。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)以0.01Hz的截止頻率進(jìn)行高通濾波，去除慢信號(hào)漂移得哆。采用T1加權(quán)序列獲取sMRI數(shù)據(jù)脯颜。原始數(shù)據(jù)在Freesurfer 6.0(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/)軟件中，使用非均勻場(chǎng)強(qiáng)校正贩据、顱骨剝離和組織分割進(jìn)行預(yù)處理栋操。采用30通道BrainCap MR(采樣率：5 kHz；通道：Fp1饱亮、Fp2矾芙、F3、F4近尚、C3蠕啄、C4场勤、P3戈锻、P4、O1和媳、O2格遭、F7、F8留瞳、T7拒迅、T8、P7、P8璧微、Fz作箍、Cz、Pz前硫、AFz胞得、AF3、AF4屹电、FC3阶剑、FC4、FT9危号、FT10牧愁、TP9、TP10外莲、CP5猪半、CP6；參考電極點(diǎn)：FCz)偷线。原始數(shù)據(jù)在BrainVision Analyzer 2(https://brainvision.com/products/analyzer-2/)中進(jìn)行預(yù)處理办龄，使用平均偽影減法和基于ICA分析的偽影去除(用于MRI和脈沖偽影校正)。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)降采樣至128Hz淋昭，并進(jìn)行重參考俐填。根據(jù)美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)多導(dǎo)睡眠圖數(shù)據(jù)進(jìn)行睡眠分期翔忽，包括腦電圖(EEG)英融、眼電圖(EOG)、肌電圖(EMG)歇式、心電圖(ECG)驶悟、呼吸和脈搏血氧測(cè)定。

結(jié)果

從清醒到睡眠的BOLD頻率變化材失。圖1顯示了同步fMRI-EEG記錄的代表性EEG和fMRI BOLD時(shí)間序列痕鳍。EEG時(shí)間序列的目視檢查表明，從高頻龙巨、低振幅的覺醒活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐约忓N波和慢波為主的低頻笼呆、高振幅的睡眠活動(dòng)(圖1A)。對(duì)BOLD時(shí)間序列的目視檢查表明旨别，從清醒到睡眠的過渡開始出現(xiàn)類似的頻率特異性變化(圖1B)诗赌。在清醒期間，觀察到混合頻率秸弛、低振幅的BOLD活動(dòng)铭若。相反洪碳，在N1和N2睡眠階段，BOLD活動(dòng)演變?yōu)槊黠@的低頻叼屠、高振幅活動(dòng)瞳腌。當(dāng)進(jìn)入N3睡眠階段時(shí)，低頻BOLD振蕩減弱镜雨，大多數(shù)腦區(qū)開始顯示更高頻率的自發(fā)BOLD振蕩纯趋。

圖1.從清醒到睡眠的BOLD頻譜變化。

為了評(píng)估BOLD頻率從清醒到睡眠的漸進(jìn)變化冷离，在104s(50 volumes)滑動(dòng)漢明窗和2.08s(1volumes)步長(zhǎng)下吵冒，對(duì)預(yù)處理后的BOLD時(shí)間序列進(jìn)行快速傅里葉變換分析。從滑動(dòng)窗口FFT分析得出的BOLD功率譜圖證實(shí)了在N1和N2睡眠期間出現(xiàn)的低頻BOLD振蕩西剥，該振蕩在過渡到N3睡眠時(shí)逐漸衰減(圖1C)痹栖。這揭示了在N3睡眠中目視檢測(cè)到的更高頻率的BOLD振蕩在N1和N2睡眠中已經(jīng)存在，盡管其功率較低(圖1C)瞭空。

基于BOLD功率譜圖揪阿，本研究計(jì)算了覺醒、N1咆畏、N2和N3睡眠的BOLD功率譜南捂。與He(2011)的研究一致，清醒期間的BOLD功率譜顯示出無標(biāo)度1/f趨勢(shì)(圖1C)旧找，證實(shí)了目視檢查時(shí)的混合頻率模式溺健。相比之下，NREM睡眠期間的BOLD功率譜在無標(biāo)度1/f趨勢(shì)上分別出現(xiàn)低頻峰和高頻峰(圖1C)钮蛛。

睡眠期間BOLD振蕩的區(qū)域分布鞭缭。從清醒到睡眠，BOLD頻率在整個(gè)大腦的局部體素水平上都有變化魏颓，但在振蕩功率和振蕩頻率方面存在區(qū)域差異(圖2)岭辣。為了研究BOLD振蕩的區(qū)域分布，本研究將皮層劃分為32個(gè)粗分區(qū)域或180個(gè)細(xì)分區(qū)域甸饱，將皮層下劃分為10個(gè)粗分區(qū)域或37個(gè)細(xì)分區(qū)域(圖2A)沦童。通過對(duì)單個(gè)體素的BOLD時(shí)間序列應(yīng)用滑動(dòng)窗口FFT分析，并計(jì)算該區(qū)域內(nèi)所有體素的平均功率譜叹话，從而得出每個(gè)大腦區(qū)域的BOLD功率譜圖偷遗。

圖2.BOLD頻譜分析。

從清醒到睡眠渣刷，BOLD低頻振蕩和高頻振蕩的功率都增加了200%~300%鹦肿。考慮到在清醒狀態(tài)下刺激或任務(wù)引起的BOLD振幅的增加通常不到10%辅柴，此時(shí)的這種增加的幅度可以說是巨大的箩溃。盡管在整個(gè)大腦中觀察到從清醒到睡眠的BOLD振蕩功率增加，但增加的確切幅值在大腦區(qū)域之間有所不同碌嘀。在皮層內(nèi)涣旨，位于后部和感覺區(qū)域（包括視覺、聽覺股冗、體感霹陡、楔前葉和后扣帶回區(qū)域）的BOLD低頻振蕩的功率增加了400%，但在額葉和內(nèi)嗅皮層僅增加了150%(圖3A)止状；另一方面烹棉，位于額葉和內(nèi)嗅皮層的BOLD高頻振蕩功率高達(dá)425%，但在后部和感覺區(qū)域僅增加了200%(圖3B)怯疤。在皮層下浆洗，BOLD低頻振蕩和高頻振蕩具有更相似的區(qū)域分布。兩者在下丘腦集峦、基底前腦和板內(nèi)核伏社、前部、內(nèi)背側(cè)塔淤、外背側(cè)丘腦的振蕩功率增加均最高(圖3)摘昌。

圖3.睡眠期間BOLD振蕩的區(qū)域分布。

與BOLD振蕩的功率相似高蜂，BOLD振蕩的峰值頻率也表現(xiàn)出區(qū)域差異聪黎。對(duì)于BOLD低頻和高頻振蕩，額葉和皮層下區(qū)域的峰值頻率略高备恤，而后部和感覺區(qū)域的峰值頻率較低(圖3)挺举。振蕩功率和振蕩頻率的區(qū)域差異表明，BOLD振蕩可能提供了睡眠的局部特征烘跺。

BOLD振蕩提供紡錘波和慢波活動(dòng)的特征湘纵。與BOLD振蕩提供睡眠特征的假設(shè)一致，兩種BOLD振蕩的時(shí)間進(jìn)程反映了睡眠紡錘波和慢波的時(shí)間進(jìn)程滤淳。具體而言梧喷，BOLD低頻振蕩在N2睡眠中比較明顯，BOLD高頻振蕩在N3睡眠中比較突出脖咐，這反映了N2睡眠中明顯的紡錘波和N3睡眠中的慢波铺敌。此外，兩種BOLD振蕩的峰值頻率分別為0.04-0.07Hz和0.15-0.18Hz屁擅，與報(bào)告的紡錘波周期（大約每分鐘兩個(gè)紡錘波偿凭，處于0.04-0.07Hz范圍內(nèi)）和慢波（每分鐘約7次慢波，頻率范圍為0.15-0.18Hz）相似派歌。

為了檢查BOLD振蕩與紡錘波或慢波活動(dòng)之間的關(guān)系弯囊，本研究從EEG數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出紡錘波或慢波活動(dòng)的時(shí)間過程痰哨，并將其與BOLD振蕩功率的時(shí)間過程相關(guān)聯(lián)。由于BOLD振蕩功率時(shí)間過程中的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是通過滑動(dòng)窗口FFT分析得到的匾嘱，作為BOLD振蕩功率在104s漢明窗中的加權(quán)平均值斤斧，因此研究者將推導(dǎo)出的紡錘波或慢波活動(dòng)時(shí)間過程中的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為紡錘波或慢波活動(dòng)在104s漢明窗口中的加權(quán)平均值霎烙。然后撬讽，將紡錘波或慢波活動(dòng)的時(shí)間過程與BOLD振蕩功率的時(shí)間過程相關(guān)聯(lián)，包括整個(gè)睡眠階段（檢查全局悬垃、跨階段相關(guān)性）和睡眠階段內(nèi)（檢查局部游昼、階段內(nèi)相關(guān)性）。繪制所有腦區(qū)和參與者的相關(guān)系數(shù)以評(píng)估相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)顯著性(圖?4)尝蠕。

圖4.BOLD振蕩和紡錘波或慢波活動(dòng)烘豌。

分析顯示，BOLD低頻振蕩功率的時(shí)間過程與紡錘波活動(dòng)的時(shí)間過程之間存在正相關(guān)趟佃，無論是在不同的睡眠階段還是在睡眠階段內(nèi)(圖4A)扇谣。同時(shí)，BOLD高頻振蕩功率的時(shí)間過程與慢波活動(dòng)的時(shí)間過程之間呈正相關(guān)(圖4B)闲昭。此外罐寨，BOLD低頻振蕩功率與紡錘波的相關(guān)性比與慢波活動(dòng)的相關(guān)性更強(qiáng)(圖4A)，而BOLD高頻振蕩功率與慢波的相關(guān)性比與紡錘波活動(dòng)的相關(guān)性更強(qiáng)(圖4B)序矩。由于紡錘波和慢波活動(dòng)可以分別用EEG sigma(11-16Hz)和delta(0.5-4 Hz)波段功率來近似鸯绿，研究者進(jìn)一步考察了BOLD振蕩功率與sigma或delta功率之間的關(guān)系。為此簸淀，研究者將FFT分析應(yīng)用于EEG時(shí)間序列瓶蝴，滑動(dòng)漢明窗口為104s，步長(zhǎng)為2.08s租幕，從中得出EEG功率頻譜圖舷手，跟蹤sigma或delta功率的時(shí)間過程，并將其與BOLD振蕩功率的時(shí)間過程相關(guān)聯(lián)劲绪。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)男窟，BOLD低頻振蕩功率的時(shí)間過程與sigma功率的時(shí)間過程之間呈正相關(guān)(圖4C)，以及BOLD高頻振蕩功率的時(shí)間過程與delta功率的時(shí)間過程之間呈正相關(guān)(圖4D)贾富。此外歉眷，BOLD低頻振蕩功率與sigma的相關(guān)性比與delta功率的相關(guān)性更強(qiáng)(圖4C)，而BOLD高頻振蕩功率與delta的相關(guān)性比與sigma功率的相關(guān)性更強(qiáng)(圖4D)颤枪。

與頻率的組成相比汗捡，BOLD活動(dòng)的振幅與紡錘波(圖4A)或慢波活動(dòng)(圖4B)沒有顯著相關(guān)性，與sigma(圖4C)或delta功率(圖4D)也無顯著相關(guān)畏纲。這些結(jié)果表明扇住，與BOLD振幅相反春缕，BOLD 頻率成分提供了紡錘波和慢波的特征。

清醒-睡眠轉(zhuǎn)換時(shí)BOLD振蕩的起始和偏移台囱。值得注意的是淡溯，雖然在整個(gè)大腦中觀察到清醒-睡眠轉(zhuǎn)換時(shí)BOLD頻率成分的變化读整，但這些BOLD頻譜變化的起始或偏移在不同的腦區(qū)之間存在差異簿训。入睡過程中，一些區(qū)域比其他區(qū)域更早地出現(xiàn)BOLD振蕩米间；或在覺醒過程中比其他區(qū)域更早地出現(xiàn)偏移BOLD振蕩强品。為了估計(jì)BOLD振蕩起始（入睡過程中）或BOLD振蕩偏移（覺醒過程中）的大腦區(qū)域之間的時(shí)滯，對(duì)BOLD振蕩功率的時(shí)間進(jìn)程進(jìn)行時(shí)滯互相關(guān)分析屈糊。

分析顯示的榛，入睡過程中，低頻BOLD振蕩首先出現(xiàn)在感覺丘腦（外側(cè)膝狀丘腦和內(nèi)側(cè)膝狀丘腦）逻锐，然后出現(xiàn)在其他丘腦亞區(qū)(圖5A)夫晌。隨后，振蕩出現(xiàn)在皮層昧诱，特別是在后部和感覺區(qū)域晓淀。相比之下，額葉皮層是最晚出現(xiàn)低頻BOLD振蕩的區(qū)域之一盏档。與BOLD低頻振蕩的起始模式相反凶掰，BOLD高頻振蕩首先出現(xiàn)在中腦，其次是丘腦蜈亩、杏仁核懦窘、腦橋、髓質(zhì)稚配、基底前腦和下丘腦等其他皮層下區(qū)域(圖5B)畅涂。隨后出現(xiàn)在大腦皮層，特別是額葉區(qū)域道川。相比之下午衰，后皮層和感覺皮層是最晚出現(xiàn)BOLD高頻振蕩的區(qū)域之一。

圖5.入睡過程中BOLD振蕩的起始愤惰。

雖然低頻和高頻BOLD振蕩具有不同的起始模式苇经，但它們具有相似的偏移模式。在覺醒過程中宦言，低頻BOLD振蕩首先從板內(nèi)丘腦消失扇单，然后從其他丘腦亞區(qū)消失(圖6A)。之后奠旺，大腦皮層的振蕩消失了蜘澜，從額葉區(qū)域開始施流，到后部和感覺區(qū)域結(jié)束。類似地鄙信，BOLD高頻振蕩首先從板內(nèi)丘腦消失瞪醋，其次是其他丘腦亞區(qū)域(圖6B)。然后振蕩消失在大腦皮層装诡，同樣從額葉區(qū)域開始银受，到后部和感覺區(qū)域結(jié)束。在從清醒到睡眠的過渡階段鸦采，BOLD振蕩的逐漸開始宾巍，以及從睡眠到清醒的過渡中，BOLD振蕩的逐漸偏移渔伯，這表明大腦區(qū)域在其局部狀態(tài)下缺乏同步顶霞。可能锣吼，起始順序(入睡過程中)和偏移順序(覺醒過程中)分別反映了哪些腦區(qū)最先入睡和最先覺醒选浑。

圖6.覺醒過程中BOLD振蕩的偏移。

生理活動(dòng)的影響玄叠。由于fMRI BOLD活動(dòng)是神經(jīng)元和血管事件之間復(fù)雜相互作用的產(chǎn)物古徒，因此在睡眠期間觀察到的BOLD振蕩可能由非神經(jīng)元生理信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。為了控制非神經(jīng)元生理信號(hào)的影響诸典，從fMRI-EEG記錄期間收集的原始呼吸和心臟數(shù)據(jù)中獲得了一組生理回歸因子描函，包括呼吸相位、呼吸頻率狐粱、呼吸量舀寓、呼吸深度、心臟相位和心率肌蜻。fMRI預(yù)處理期間互墓，在應(yīng)用FFT分析來評(píng)估BOLD頻率組成之前，從BOLD時(shí)間序列中回歸出一組生理回歸因子蒋搜。因此篡撵，本研究中報(bào)告的BOLD振蕩不太可能僅由非神經(jīng)元生理信號(hào)引起。

盡管如此豆挽，檢查預(yù)處理的fMRI數(shù)據(jù)是否確實(shí)沒有非神經(jīng)元生理信號(hào)的影響是很重要的育谬。為此，本研究對(duì)104s帮哈、步長(zhǎng)為2.08s的滑動(dòng)漢明窗（將FFT分析的窗長(zhǎng)和步長(zhǎng)與BOLD時(shí)間序列匹配）的原始呼吸數(shù)據(jù)膛檀、呼吸頻率、呼吸量、呼吸深度咖刃、原始心臟數(shù)據(jù)和心率的時(shí)間序列進(jìn)行FFT分析泳炉，以檢查呼吸或心臟活動(dòng)的頻率內(nèi)容，并與BOLD頻率內(nèi)容進(jìn)行比較嚎杨。原始呼吸數(shù)據(jù)的功率譜在0.25Hz左右有一個(gè)主峰花鹅，而原始心臟數(shù)據(jù)的功率譜在1Hz左右有一個(gè)主峰，分別反映了呼吸和心臟脈搏活動(dòng)的振蕩(圖7C)枫浙。呼吸頻率刨肃、呼吸量、呼吸深度和心率的功率譜可分為低頻(0.04-0.15Hz)和高頻(0.15-0.4Hz)頻段自脯，分別反映了這些生理信號(hào)中較慢和較快的振蕩情況(圖7C)之景。

圖7.生理頻譜分析斤富。

基于原始呼吸數(shù)據(jù)和原始心臟數(shù)據(jù)的功率譜膏潮，研究者提取呼吸和心臟脈沖頻率，計(jì)算了它們的混疊頻率满力，并將這些生理頻率與BOLD振蕩的峰值頻率進(jìn)行了比較(圖7)焕参。根據(jù)原始呼吸數(shù)據(jù)、原始心臟數(shù)據(jù)油额、呼吸頻率叠纷、呼吸量、呼吸深度和心率的功率譜潦嘶，研究者提取了呼吸活動(dòng)的帶限功率(呼吸頻率±0.1Hz)涩嚣，心臟搏動(dòng)的帶限功率(心搏頻率±0.4Hz)，低頻(0.04-0.15Hz)或高頻(0.04-0.15Hz)的呼吸頻率掂僵、呼吸量航厚、呼吸深度和心率。然后锰蓬，將這些生理功率的時(shí)間進(jìn)程與BOLD振蕩功率的時(shí)間進(jìn)程相關(guān)聯(lián)幔睬，包括整個(gè)睡眠階段（檢查全局、跨階段相關(guān)性）和睡眠階段內(nèi)（檢查局部芹扭、階段內(nèi)相關(guān)性）麻顶。繪制所有腦區(qū)和參與者的相關(guān)系數(shù)以評(píng)估相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)顯著性(圖8)。

圖8.BOLD振蕩和呼吸或心臟活動(dòng)舱卡。

從分析中發(fā)現(xiàn)辅肾，BOLD振蕩頻率與呼吸(圖7D)或心臟(圖7E)頻率之間，以及BOLD振蕩功率的時(shí)間進(jìn)程與呼吸或心臟振蕩功率的時(shí)間進(jìn)程之間不存在顯著相關(guān)性(圖8)轮锥。除了比較時(shí)域特征外矫钓，本研究還比較了BOLD振蕩和生理活動(dòng)的空間特征。研究者推斷，如果BOLD振蕩是由非神經(jīng)元生理信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的份汗，那么BOLD振蕩的空間分布將類似于大腦中的血管分布盈电。例如，BOLD振蕩在枕極杯活、額上回中較強(qiáng)匆帚，但在眶額葉皮層中較弱。本研究沒有觀察到BOLD振蕩的空間分布(圖3)和腦血管分布(圖7A)之間的相似性旁钧。這些控制分析表明吸重，本研究中報(bào)告的BOLD振蕩主要不是由非神經(jīng)元生理信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。

討論

總之歪今，本研究發(fā)現(xiàn)在從清醒到睡眠的過渡期間嚎幸，fMRI BOLD活動(dòng)由混合頻率模式演變?yōu)閮煞N不同的振蕩模式：淺睡眠中明顯的低頻(＜0.1Hz)振蕩和深度睡眠中明顯的高頻(＞0.1Hz)振蕩。這兩種振蕩可以在整個(gè)大腦的局部寄猩、體素水平上檢測(cè)到癌别，它們的時(shí)空分布反映了紡錘波和慢波活動(dòng)的時(shí)空分布只祠。振蕩可能通過腦血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)頻率范圍內(nèi)的超慢波動(dòng)反映紡錘波或慢波的局部分組。它們提供紡錘波和慢波活動(dòng)的局部特征，可用于監(jiān)測(cè)局部神經(jīng)元狀態(tài)和檢測(cè)局部睡眠或局部覺醒狀態(tài)土铺。

BOLD振蕩反映紡錘波和慢波活動(dòng)汰规。先前的研究報(bào)告了從覺醒到睡眠期間的BOLD頻譜變化波附。然而杂曲，這些變化的性質(zhì)及其與紡錘波或慢波活動(dòng)的關(guān)系尚不清楚。在這里兽赁，本研究分析揭示了BOLD低頻振蕩功率的時(shí)間進(jìn)程與紡錘波活動(dòng)的時(shí)間進(jìn)程之間状答，以及BOLD高頻振蕩功率的時(shí)間進(jìn)程與慢波活動(dòng)的時(shí)間進(jìn)程之間呈正相關(guān)。此外刀崖，BOLD低頻和高頻振蕩的區(qū)域分布以及起始和偏移模式反映了紡錘波和慢波活動(dòng)的特征惊科。

睡眠期間，在所有的皮層和皮層下區(qū)域檢測(cè)到低頻和高頻的BOLD振蕩蒲跨，這與顱內(nèi)記錄中廣泛檢測(cè)到的紡錘波和慢波一致译断。BOLD低頻振蕩的區(qū)域分布反映了紡錘波活動(dòng)的區(qū)域分布情況，在丘腦或悲、感覺和眶額葉皮層中出現(xiàn)振幅較大的紡錘波孙咪，而在海馬旁回出現(xiàn)紡錘波的波幅較小。另一方面巡语，BOLD高頻振蕩的區(qū)域分布反映了慢波活動(dòng)的區(qū)域分布翎蹈，一些BOLD高頻振蕩最強(qiáng)的區(qū)域，如內(nèi)側(cè)前額葉皮層男公、海馬旁回和腦干荤堪，也在之前對(duì)慢波的fMRI研究中有所強(qiáng)調(diào)合陵。眶額葉皮層的膝下區(qū)域在低頻和高頻范圍內(nèi)都顯示出強(qiáng)烈的BOLD振蕩澄阳。有趣的是拥知，眶額葉皮層的紡錘波振幅最高，而且與慢波的起源和傳播有關(guān)碎赢。

在入睡過程中低剔，BOLD低頻振蕩首先出現(xiàn)在丘腦中，隨后出現(xiàn)在大腦皮層肮塞，特別是在后部區(qū)域襟齿。與額葉區(qū)域相比，后部區(qū)域BOLD低頻振蕩的出現(xiàn)較早枕赵，這反映了紡錘波的起始模式猜欺，其中發(fā)現(xiàn)頂葉紡錘波出現(xiàn)在額葉紡錘波之前。另一方面拷窜，BOLD高頻振蕩首先出現(xiàn)在中腦开皿，隨后出現(xiàn)在大腦皮層，特別是在額葉區(qū)域装黑。這種模式反映了慢波的開始副瀑，額葉皮層比其他皮層區(qū)域更早出現(xiàn)慢波。在覺醒過程中恋谭，板內(nèi)丘腦是第一個(gè)顯示BOLD低頻和高頻振蕩偏移的大腦區(qū)域，其在覺醒的調(diào)節(jié)中起著核心作用挽鞠。除了板內(nèi)丘腦疚颊，其他參與覺醒的大腦區(qū)域，如下丘腦和基底前腦信认，也是在從睡眠到覺醒的轉(zhuǎn)變過程中材义，首先顯示出低頻和高頻BOLD振蕩偏移的區(qū)域。

BOLD振蕩的潛在機(jī)制嫁赏。BOLD振蕩的時(shí)空分布與紡錘波和慢波活動(dòng)的時(shí)空特征之間的相似性表明其掂，BOLD振蕩提供了睡眠的局部特征。然而潦蝇，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是款熬，睡眠期間BOLD振蕩的檢測(cè)不能期望與單個(gè)紡錘波或慢波出現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。本研究中攘乒，在皮層下區(qū)域（例如腦干和小腦）檢測(cè)到低頻和高頻的BOLD振蕩贤牛，這些區(qū)域之前沒有記錄到紡錘波和慢波。這些區(qū)域中BOLD振蕩的存在可能是真正的紡錘波或慢波出現(xiàn)的標(biāo)志则酝，但由于顱內(nèi)或頭皮記錄的限制殉簸，這些信號(hào)尚未被記錄。第二種可能性是，在這些區(qū)域檢測(cè)到的BOLD振蕩可能反映了神經(jīng)元興奮性的波動(dòng)般卑，不一定會(huì)導(dǎo)致紡錘波或慢波武鲁。第三種可能性是，在缺乏紡錘波或慢波產(chǎn)生機(jī)制的大腦區(qū)域蝠检，BOLD振蕩可能反映了突觸輸入與其他腦區(qū)出現(xiàn)的紡錘波或慢波同步洞坑。事實(shí)上，涉及大量神經(jīng)元同步下降狀態(tài)的皮層慢波蝇率，必然會(huì)直接或間接地對(duì)許多皮層下區(qū)域(包括腦干和小腦)施加強(qiáng)烈的調(diào)制迟杂。但也可能影響腦干或小腦區(qū)域神經(jīng)元興奮性的波動(dòng)，這些區(qū)域的神經(jīng)元可能缺乏產(chǎn)生紡錘波和慢波的機(jī)制本慕。

原文：fMRI spectral signatures of sleep.

https://doi.org/10.1073/pnas.2016732119