大脑α波的“快闪”活动：节律性闪光期间的单次脑电瞬态事件特征
研究背景
自1944年间歇性光刺激（IPS）概念首次被提出以来，这一方法已成为临床神经电生理检查的常规手段，同时也广泛应用于基础与临床研究。然而，尽管IPS拥有逾80年的应用历史，研究者对于光刺激所引发的脑电共振与节律同步现象的确切生成机制仍知之甚少。传统研究多采用多次试次平均的处理策略以提升信噪比，这一方法虽然揭示了诸多大脑功能机制，却难以解释个体间与个体内差异，也难以精细刻画神经振荡的动态生成过程。
近年来，单试次分析逐渐成为脑电研究的新方向。已有研究发现，在β和γ频段，传统平均后呈现的“持续性振荡”，在单试次层面实际上是由一系列短暂的、功率增强的“瞬态事件”（transient events，亦称bursts）所构成。本研究团队前期已在α频段的IPS中观察到类似现象，但尚未对这些瞬态事件进行系统性描述。因此，本研究旨在利用同步脑电图（EEG）与脑磁图（MEG）记录，在传感器空间与源空间两个层面，对光刺激期间α频段瞬态事件进行全面表征，以填补这一知识空白。
研究方法
研究设计与流程：研究招募了16名健康志愿者（平均年龄29±7岁，8名女性，11名右利手），其中13人完成了个体磁共振成像（MRI）扫描。实验分为两个阶段：首先，采用64导Ag/AgCl电极帽（waveguard™ original CA-212.s1, ANT Neuro b.v.）采集5分钟闭眼静息状态下的EEG数据（采样率2048 Hz），用于确定每位志愿者的个体α峰频率（iAPF），该频率范围为8.8–12.0 Hz，中位数为10.35 Hz。随后，在IPS范式下同步采集EEG（58导，采样率1000 Hz）与MEG数据，刺激频率采用个体的iAPF，占空比为50%，共进行20个试次，每试次包含80次闪光，试次间间隔5秒。志愿者在磁屏蔽室内放松静坐，全程闭眼。
数据分析流程：预处理包括坏道剔除、Maxwell滤波（用于MEG）、独立成分分析（ICA）去除心电与眼动伪迹。在传感器层面，研究选取枕部感兴趣区（EEG 8个电极、磁强计24个通道、梯度计48个通道），采用复Morlet小波进行时频变换。瞬态事件检测基于归一化时频图中超过阈值（约95%置信区间）的局部最大值，并限定于iAPF±2 Hz频带内。对于每个检测到的事件，提取其中央频率、时间位置、频率宽度和时域宽度。源空间重建采用基于个体MRI的三层边界元模型，使用最小范数估计（MNE）方法，分别对试次平均信号和各单次瞬态事件进行源定位，并计算各重建结果的质心距离。
图1 waveguard™ original 64导脑电采集系统
研究结果
瞬态事件的数量与个体差异：在所有志愿者的三种传感器模态中，共自动检测到4034个瞬态事件，经目视校正后最终使用4335个事件（7%需手动标记，93%自动识别正确）。EEG中位数为76个/人（四分位距IQR：78），磁强计为80个/人（IQR：103），梯度计为89个/人（IQR：116），个体间差异显著，最低仅6个，最高达201个。三种模态间无统计学显著差异。
模态间事件重叠率：磁强计与梯度计的重叠率最高，中位数为66%（IQR：21）；而EEG与MEG整体的重叠率最低，仅32%（IQR：13）；EEG与磁强计为35%（IQR：14），EEG与梯度计为45%（IQR：16）。这一差异可归因于EEG与MEG对不同源取向的敏感性差异——MEG对切向源更敏感。
图2 瞬态事件数量：(a) 瞬态事件总数；(b) 跨传感器模态的匹配事件数
瞬态事件与信噪比的关系：志愿者平均信号的SNR范围为-0.11 dB至25.55 dB。各模态的SNR与瞬态事件数量均呈高度相关，相关系数分别为：磁强计0.89、梯度计0.87、EEG 0.77。三种模态间无显著差异。
瞬态事件的频率与宽度特征：瞬态事件中央频率范围因模态而异（EEG：8.3–11.6 Hz；磁强计：8.6–11.6 Hz；梯度计：8.6–11.6 Hz），与个体α峰频率分布基本吻合，但中位数略低于iAPF（EEG低0.60 Hz、磁强计低0.35 Hz、梯度计低0.45 Hz）。频率宽度方面，三种模态中位数分别为2.0 Hz（EEG）、2.05 Hz（磁强计）和1.9 Hz（梯度计）。时域宽度方面，EEG中位数为0.24秒，磁强计为0.25秒，梯度计为0.28秒，相当于2.4–3.1个α周期。与既往β频段（约130±37 ms）和γ频段（约67±19 ms）的瞬态事件相比，α频段事件持续时间明显更长，符合频率越低持续时间越长的规律。
图3 个体α峰频率（iAPF）与瞬态事件主频率分布对比
图4 瞬态事件的频率宽度与时间宽度
瞬态事件与刺激的时间关系：瞬态事件与前一刺激的中位时间间距分别为44 ms（EEG）、48 ms（磁强计）和47 ms（梯度计），而平均信号全局场功率（GFP）峰值与刺激的间距分别为28 ms（EEG）、26 ms（磁强计）和21 ms（梯度计），后者更短且变异性更小（IQR也更小）。
空间定位结果：经过地形图目视筛选，从合并后的453个跨模态事件中选出275个纳入源重建分析，每名志愿者使用2–81个事件。根据Destrieux脑图谱，大多数事件的质心位于楔叶、枕极和舌回等枕叶区域。平均事件质心（C_event）与试次平均质心（C_trial）之间的中位距离为1.01 cm，志愿者个体间范围为0.26–2.87 cm。值得注意的是，纳入分析的事件数量越多，源定位结果与试次平均结果的吻合度越高——当事件数超过20个时，距离通常小于1 cm；当事件数少于10个时，距离多大于1.5 cm。单次事件质心（C_event）与平均事件质心的中位距离为1.53 cm，与试次平均质心的中位距离为1.72 cm。
图5 总平均与单名志愿者的传感器空间及源空间结果
图6 源点（质心）间距离
传感器地形图与源分布的一致性：所有275个事件的总体RMS地形图在枕部呈现增强活动，与试次平均信号的地形图高度相似。MNE源重建的总体均值同样显示枕叶区域为最大活动区，与单次事件重建结果分布一致。
结论和意义
本研究首次系统性地描述了间歇性光刺激下α频段单试次瞬态事件的特征，为理解光驱动效应的神经机制提供了新的视角。研究结果支持“瞬态事件是平均信号的基本构成单元”这一假说——平均事件质心与试次平均质心仅相距约1 cm，且SNR与事件数量高度相关。
从临床转化角度看，瞬态事件分析具有显著的应用潜力。偏头痛患者已知存在枕叶兴奋性改变和光驱动反应异常，但传统平均方法耗时较长，难以在临床中快速应用；单试次瞬态事件分析可能提供更高效的评估手段。同样，在癫痫的光敏性评估、注意缺陷多动障碍（ADHD）的α活动异常检测，以及神经反馈治疗等场景中，瞬态事件作为潜在生物标志物的价值值得进一步探索。
DOI：10.1016/j.neuroimage.2025.121587
引用：Oppermann, H., Bruna, R., Gillmar, D., Klingner, C., & Haueisen, J. (2025). Characterization of transient events during intermittent photic stimulation. NeuroImage, 323, 121587.
