电生理连接技术的比较
本文介绍了一系列电生理记录技术的异同、电生理连接性评估的方法，以及电生理数据中计算连接性的流程。
对大脑区域之间的电生理高级连接的测量必须提供①高保真度，即足够的信噪比(SNR)，以精确表征来自不同大脑区域的信号之间的统计相关性；②足够的空间分辨率，以确保区域之间的连接性估计不会因区域之间的杂散信号交互而大幅降低。基于此，电生理测量可以分为两类：
非侵入性方法包括脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)。前者在头皮表面测量由大脑中波动电流产生的电位差；后者测量同一电流波动所产生的相应磁感应。这两种方法都在相对较大的神经元群体中探测电生理活动。主要的神经生理发生器是主要来自皮层锥体细胞的突触后电位(局部场电位，LFPs)诱导的电流。头皮水平电场/电位的数学建模可以实现电生理信号的局部化，从而对低水平(局部)网络中的活动进行推断。
侵入性测量通常统称为颅内脑电图(iEEG)，范围从脑电图(ECoG)(电极阵列放置在脑表面硬脑膜下)到针对更深结构的深度电极。相对于一些参考，测量每个电极位置的局部电势，可以直接评估低电平电路中的局部电活动。参考位置一般决定了测量所依据的神经元群体的大小。测量通常反映皮层锥体细胞(类似于MEG/EEG)的LFPs，总计数千个神经元。然而，一些深度电极还可以测量动作电位，包括人类的行为。
目前还没有一种最好的技术来评估电生理连接性。事实上，技术的选择取决于科学问题。颅内脑电图通常具有最高的信噪比和较高的空间分辨率，但其脑容量的空间覆盖有限。iEEG具有很高的侵入性，因此仅限于自愿参与研究的患者的数据。植入蒙太奇的情况因每个患者的特殊性而不同，这使得研究和结果的复制具有很大的挑战性。此外，收集的数据可能会受到异常神经过程的影响，因为电极的位置是基于病理生理学考虑而决定的。排除靠近癫痫灶或癫痫样活动性较强的电极，以及从所有电极上去除有癫痫样活动性的时段，可以在一定程度上解决这一问题。
脑磁图和脑电图所测量的信号与iEEG相同，优点是可以无创地对病人和健康参与者的大脑进行覆盖。然而，由于颅外传感器距离脑源较远，与iEEG相比，MEG和EEG的信噪比更低(尤其是在高频时)。对于连接体的衍生来说，重要的是，多个传感器从大脑中相同的电源采集活动——这种效应被称为体积传导(EEG)或场扩散(MEG)，它会在头皮测量点之间引入泄漏。脑电/脑磁图生成器的逆建模(基于头皮水平场/电位测量重建脑电流的源空间估计)改善了这一问题。然而，逆问题的不适定性质意味着，即使在源空间，由不同区域的低阶网络产生的信号之间也会发生泄漏，这使得连接性测量变得复杂。与EEG相比，脑磁图对头部组织的几何形状和电导不太敏感，因而具有较高的空间精度。MEG也更不容易受到生物影响。然而，MEG在购买和操作上也更昂贵，因此更不容易获得。传感技术的重大进展为新型、更灵活、更经济的MEG仪器的问世提供了希望，这些仪器最近已被证明对连接性测量非常有效。
研究方法 | 放置 | 覆盖范围 | 时间分辨率(TR) | 空间分辨率(SR) | 数据质量 | 实际 |
颅内EEG | 放置在大脑表面或下面的电极，用来测量局部电位 | 电极贴在特定区域的皮层上。因此，覆盖范围相对有限 | TR为1ms或更短 | 对于浅源，SR受到电极分离的限制。对于较深的源，体积传导意味着可以在多个电极上检测到单个源，因此需要建模 | 数据质量的黄金标准。因为电极直接放置在大脑中，所以具有极高的信噪比 | 需要侵入性手术来放置电极。限于临床病例(如：癫痫)或动物实验 |
EEG | 将电极置于与头皮的导电接触中，并测量每个电极与参考电极之间的电位差 | 全脑覆盖。具有皮层敏感性，敏感度随着深度的加深而下降 | TR为1ms或更短 | 头骨的导电性很低，这意味着头皮的电势被削弱了。难以建模，因此SR依赖于复杂的头部模型。空间信息往往是失真的，SR非常有限 | 信号振幅被颅骨降低了，因此信噪比低于ECoG。EEG对生理伪影也很敏感，如肌肉电信号。这会降低对连接性的估计 | 与头皮的电接触需要大量的设置时间。在扫描过程中，被试可以自由移动(不过是以牺牲信噪比为代价的)。适应于任何头部尺寸 |
MEG | 磁场探测器(超导量子干涉仪)放置在靠近头皮的地方，以测量皮层电流产生的磁场 | 可全脑覆盖，但覆盖可以是不均匀的。灵敏度随深度下降 | TR为1ms或更短 | 穿过头骨的磁场相对来说不变形；MEG比EEG具有更好的SR。SR主要受传感器接近头皮的限制 | 受大脑对传感器距离的影响；成人的信噪比较高，但头较小被试的信噪比降低。对生理伪影的敏感度比EEG低，但信噪比会随被试的运动而降低 | 设置和运行都很简单。然而，被试必须长时间保持静止不动。系统比较昂贵 |
On-scalp-MEG | 相当于MEG，但在头皮上采用了轻便的(非超导)传感器，更接近头皮表面 | 可以覆盖全脑。灵敏度随深度而下降 | 受采样速度的限制；最常用的传感器可达~5ms的TR | 保持了简单建模的优点，但因为传感器更接近头部，场模式不太扩散。这意味着与传统的MEG或EEG相比，SR有了质的提高 | 比MEG或EEG有更高的信噪比，因为传感器接近头部(但没有ECoG高)。在抵抗伪影方面具有更高的优势 | 设置和运行都很简单。被试可以自由活动。系统能够适应任何头部形状。然而，这一新兴技术的使用并不广泛 |
fMRI | 测量血氧水平对局部代谢变化的依赖反应 | 覆盖全脑，包括深层结构 | 血流动力学反应的潜伏期和持续时间限制在~5s以内 | 具有优秀的空间分辨率(如1mm)，因为血流动力学反应与细胞活动在空间上紧密耦合。但是，快速获取的图像可能会发生空间畸变 | 取决于场强。信噪比和对毛细血管(而不是大静脉)的相对敏感度都随着场强的提高而提高 | 设置和运行都很简单。实验对象必须长时间保持静止。噪音可能会限制某些范式 |
电生理数据中计算连接性的流程：具体流程见下图
参考来源：Connectomics of Human Electrophysiology.
https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118788
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