自闭症儿童情绪刺激下的功能性脑连接研究

背景介绍

自闭症谱系障碍（Autism Spectrum Disorder, ASD）是一种复杂的神经发育障碍，主要表现为社交互动和沟通能力的缺陷，以及重复性行为和兴趣的局限。ASD的核心特征之一是情绪处理障碍，这直接影响患者的社交能力和生活质量。尽管ASD的研究已有多年历史，但其神经机制仍未被完全理解，尤其是在情绪处理方面的脑功能连接模式。功能性脑连接分析是研究ASD神经机制的重要手段，而脑电图（Electroencephalography, EEG）作为一种非侵入性技术，能够实时记录大脑的电活动，是研究脑功能连接的有力工具。

然而，现有的EEG研究大多集中在自发脑活动上，较少涉及情绪刺激下的脑功能连接。因此，探索ASD儿童在情绪刺激下的脑功能连接差异，不仅有助于理解ASD的神经机制，还可能为ASD的早期筛查和干预提供潜在的生物标志物。

论文来源

本论文由Chang Cai、Jiahui Wang、Jun Lin、Kang Yang、Huicong Kang、Jingying Chen和Wei Wu共同撰写，作者分别来自中国华中师范大学国家工程研究中心、同济医院神经内科以及上海交通大学医学院松江医院。论文于2021年8月发表在《Journal of LaTeX Class Files》上，题为“Functional Connectivity Analysis of Children with Autism under Emotional Clips”。

研究流程

研究对象与实验设计

研究共招募了64名儿童，其中32名为ASD儿童，32名为典型发育（Typically Developing, TD）儿童。ASD儿童的纳入标准包括符合DSM-V诊断标准、年龄在2至7岁之间、无严重呼吸系统疾病或癫痫等脑部疾病。TD儿童则从当地幼儿园招募，年龄与ASD组匹配，且无精神障碍或发育迟缓史。

实验使用便携式EEG设备Emotiv Epoc，该设备配备14个EEG通道，能够记录大脑不同区域的电活动。实验在受控的虚拟环境中进行，儿童观看两段60秒的视频片段，一段为正面情绪刺激，另一段为负面情绪刺激。EEG数据在观看视频时被记录。

数据预处理与分析

EEG数据预处理包括三个步骤：首先，使用共平均参考（Common Average Reference, CAR）消除直流偏移；其次，使用EEGLAB工具箱去除眼动和肌肉活动引起的伪迹；最后，使用线性带通滤波器（1 Hz至45 Hz）进行滤波，以去除噪声和高频伪迹。

预处理后，研究人员从EEG数据中提取了五个频段：θ波（4-8 Hz）、α波（8-12 Hz）、低β波（12-16 Hz）、高β波（16-25 Hz）和γ波（25-45 Hz）。然后，使用四种功能性连接指标对脑功能连接进行分析，包括相干性（Coherence）、相位锁定值（Phase-Locking Value, PLV）、相位滞后指数（Phase Lag Index, PLI）和加权相位滞后指数（Weighted Phase Lag Index, WPLI）。

脑功能连接差异分析

为了探索ASD与TD儿童在情绪刺激下的脑功能连接差异，研究人员计算了四种连接指标在五个频段下的平均连接值，并比较了两组之间的差异。结果显示，在负面情绪刺激下，ASD儿童在低频段表现出较差的相互关联和相位同步，而在高频段则表现出更强的脑内网络协调性。在正面情绪刺激下，TD儿童在脑区之间的功能连接更强，而ASD儿童则在脑区之间表现出更高的相位同步性。

此外，研究发现，在θ频段，ASD儿童表现出更多的长距离连接，尤其是在左右半球之间。而在α频段，ASD儿童的长距离连接较少，表明其更倾向于局部细节处理。在正面情绪刺激下，ASD儿童的额叶功能连接增强，而在负面情绪刺激下，颞叶的活动更为活跃。

分类与特征选择

为了验证脑功能连接特征在ASD筛查中的潜力，研究人员采用了支持向量机（Support Vector Machine, SVM）和最小冗余最大相关性（Minimum Redundancy Maximum Relevance, MRMR）算法进行分类。通过MRMR特征选择，研究人员从所有特征中选择了最具代表性的子集，并使用SVM进行分类。结果显示，在正面情绪刺激下，使用15个特征进行分类的准确率达到85%，而在负面情绪刺激下，使用20个特征的分类准确率达到87%。

研究结果与结论

研究的主要发现包括： 1. 情绪刺激对脑功能连接的影响：ASD儿童在负面情绪刺激下表现出较低的低频段连接性，而在高频段则表现出更强的脑内网络协调性。在正面情绪刺激下，ASD儿童的脑区相位同步性高于TD儿童。 2. 频段差异：在θ频段，ASD儿童表现出更多的长距离连接，而在α频段则表现出较少的长距离连接，表明ASD儿童更倾向于局部细节处理。 3. 脑区差异：在正面情绪刺激下，ASD儿童的额叶功能连接增强，而在负面情绪刺激下，颞叶的活动更为活跃。 4. 分类准确率：基于脑功能连接特征的SVM分类器在正面和负面情绪刺激下分别达到了85%和87%的准确率，表明功能性连接可以作为ASD诊断和分类的潜在生物标志物。

研究亮点

1. 情绪刺激下的脑功能连接分析：本研究首次系统性地分析了ASD儿童在情绪刺激下的脑功能连接模式，填补了该领域的研究空白。
2. 多频段、多指标分析：研究采用了五种频段和四种功能性连接指标，全面评估了ASD与TD儿童的脑功能连接差异。
3. 高分类准确率：通过结合MRMR特征选择和SVM分类器，研究实现了较高的分类准确率，为ASD的早期筛查提供了有力支持。
4. 便携式EEG设备的应用：研究使用了便携式EEG设备Emotiv Epoc，表明即使在不具备高级实验室设备的条件下，功能性脑连接分析也具有临床应用的潜力。

研究意义与价值

本研究为理解ASD的神经机制提供了新的视角，尤其是情绪处理方面的脑功能连接模式。研究结果表明，功能性脑连接分析可以作为ASD诊断和分类的有效工具，特别是在早期筛查和个性化干预方面具有重要应用价值。此外，研究还展示了便携式EEG设备在临床研究中的潜力，为未来在更大样本和更多样化情绪刺激下的研究奠定了基础。

未来研究方向

尽管本研究取得了重要进展，但仍存在一些局限性。首先，研究仅使用了正面和负面两种情绪刺激，未来可以扩展到更多类型的情绪刺激，如恐惧、愤怒等。其次，样本量相对较小，未来研究可以扩大样本量以提高结果的普适性。最后，研究仅使用了四种功能性连接指标，未来可以引入更多类型的连接指标，如时频分析、脑网络建模等，以更全面地揭示ASD的脑功能连接特征。