脑磁vs脑电: 两者原来各有所长?

Hello，大家好！

这里是壹脑云科研圈，我是Runhao~

在我以前的认知里，脑磁（MEG）是高配版脑电（EEG），在拥有同样高时间分辨率的同时还拥有更强的空间分辨率，因此MEG全方位优于EEG（除了贵）。

但在我所在的CBU，经常看见脑磁实验会结合脑电一起进行，即同时记录EEG和MEG信号。

如果MEG全面胜过EEG，那这完全就是多此一举，所以今天我们就来聊一聊为什么要同时记录EEG和MEG信号~

实际上，EEG和MEG在某些层面（主要是溯源）是存在优势互补的，EEG在MEG面前并非一无是处。在某些方面，EEG的表现确实会优于MEG。

MEG和EEG都对大脑的地形很敏感，由于大脑表面存在大量的沟回，神经信号出现在脑沟还是脑回，会显著影响对神经元电流源（偶极子）的敏感性。

MEG主要对平行于头骨的切向偶极子（tangential dipoles）敏感，但对径向偶极子（radial dipoles）特别不敏感（图1）。

其原因是，如果头部是一个完美的球体（与平均头部形状是类似的），则由径向偶极子产生的所有磁场在表面相互抵消。相比之下，EEG对切向和径向偶极子都很敏感。

图1 切向偶极子（tangential dipole）和径向偶极子（radial dipole）。MEG对径向偶极子非常不敏感。图源：Cohen & Halgren (2009)

如果假设偶极子位于球体中心，那么这个偶极子必须指向远离中心的方向，也就是径向的，MEG就记录不到。

因此，源离中心越近，它就越径向，MEG就越记录不到。也就是说，对于越深部的源，MEG就越有劣势；反之，对于表层和切向的源，MEG则具有优势。

Goldenholz等人（2009）比较了MEG和EEG对于皮层源检测的信噪比（图2），结果可以发现，MEG对于探测皮层表面的源非常敏感，但对于深部的源非常不敏感；EEG对表层和深层的源都具有一定敏感性，但信噪比都不是很高。

既然MEG和EEG各有优势，那么如果将MEG和EEG结合起来，是否会有改进呢？

没错，同步记录MEG和EEG之后，的确可以得到两者的优势（既能探测到深部源，也能提高对表层源的敏感性；图2）。

图2 MEG和EEG对于探测皮层源的信噪比比较：MEG对表层的源非常敏感，但是对深部的源特别不敏感；EEG可以关注到表层和深层，但是对两者的敏感性都不是特别强。第三行展示了结合MEG和EEG之后，可以实现信噪比的最大化。

除了对于表层和深层源的探测差异，MEG和EEG对于不同类型的源也存在不同的敏感性。

MEG对于检测聚焦性的源（focal sources；也即偶极子源dipole sources）更有优势；而EEG对于检测范围较大的源（extended sources）更有优势。

如图3所示，当源是偶极子时，MEG对于皮层表面源检测的敏感性要高于EEG；当源的范围扩大到10mm甚至16mm时，MEG即使对于皮层表面源的检测效果也会不如EEG。

图3MEG和EEG对于focal sources (dipole) 和 extended sources的敏感性比较

正是因为MEG和EEG在溯源分析的过程中是优势互补的，因此有一部分研究者（如我们Unit）建议，当实验具有较高的溯源需求时，会鼓励进行MEG-EEG同步实验，也就是带上脑电帽进入MEG。

这样一方面可以兼顾表层和深层源的检测，另一方面可以提高MEEG数据的空间分辨率。

这种实验还需要被试的MRI结构像进行配准（图4），且这种配准对于溯源的结果至关重要（Chellaet al., 2019）。

当然，这种结合的缺点是至少会需要额外一小时来准备EEG，且MEG并不是哪里都有。

图4MEG/EEG与MRI空间的配准（coregistration）

尽管我们可以说MEG和EEG的是从不同角度来寻找同一个源，但是MEEG的溯源和fMRI的定位是有区别的。这是因为fMRI的结果来自于代谢的BOLD信号而非电信号，BOLD信号变化的时间分辨率比MEEG要慢得多。

目前尚无很多结果来构建MEEG溯源结果和fMRI激活的关系，但是我们不能理所当然地假设fMRI实验中的激活同样能在MEEG的溯源中见到，反之亦然。

即使有发现对应关系，fMRI中显示的激活也可能会在MEEG中的不同时间点出现。

目前有少量例子来比较fMRI、M/EEG的定位结果，比如Sharon等人（2007）利用简单视觉刺激（不同象限的光栅闪烁）进行了比较，不同象限的刺激已知能激活初级视觉皮层的不同的focal area。

如图5所示，fMRI的结果清楚表明了预期的激活模式，这种技术提供了毫米级的空间分辨率，但并没有告诉我们这种激活是反映了早期过程还是晚期过程。

EEG 和 MEG 在刺激开始后 74 毫秒左右显示出类似的模式——大约是来自视网膜的视觉信息首次到达视觉皮层的时间。

尽管EEG和 MEG的定位分别显示大致相同的模式，但在A条件下，EEG的溯源结果和fMRI结果相去甚远。相比之下，同步MEG-EEG的溯源结果非常类似于fMRI的结果模式。

图5 fMRI定位与MEG/EEG定位的比较

需要注意的是，无论是fMRI还是MEEG呈现的溯源图像都是设有阈值的，也就是说大脑真实的反应会比图片呈现的复杂的多且难以确定。

尤其对于M/EEG的溯源，他们的空间分辨率从根本上是有限的，即使两个技术相加，本质上溯源仍然是一个病态的逆问题，没有办法做到非常精准。

对于上面图5这个简单的数据集，成像技术之间的对应关系似乎非常高。然而，对于更高的认知过程，差异可能要大得多。

总结一下，EEG和MEG在溯源分析中各有所长，当同步记录MEG和EEG时可以做到一定程度的优势互补。

与fMRI相比，M/EEG的溯源分析可以在毫秒分辨率的级别提供不同时间动态下的大脑活动模式，但由于其先天的不足，溯源结果本质上无法做到非常的精准。

参考文献：

1. M/EEG相关材料（by Dr. Olaf Hauk）

2. Chellaet al.(2019).Neuroimage.

3. Sharon et al. (2007).Neuroimage.

4. Molins et al., (2008).Neuroimage.

5.Goldenholzet al.(2009). HBM

6. Hauk, Stenroos, & Treder, (2022).Neuroimage.

内容|鹿鸣Cogn

排版 |昆昆

校对 |喵君姐姐

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