科研记录05 | 【文献汇报PPT】【Biological Psychiatry】振荡旅行波为精神分裂症中预测编码异常提供证据
- 2026-04-26 03:33:23
科研记录05 | 【文献汇报PPT】【Biological Psychiatry】振荡旅行波为精神分裂症中预测编码异常提供证据今天终于讲完文献啦！立马回教研室写下这篇文章！！！
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振荡旅行波为精神分裂症中预测编码异常提供证据 
精神分裂症是一种严重的精神障碍，全球约有1%的人口受其影响。 该疾病以广泛的精神病性症状为特征，同时伴随显著的心理功能受损，包括知觉、认知以及人格等方面。 
感知过程将传入的感觉证据与先验信息（即关于世界的信念）相结合（图1A）。 精神分裂症患者在较高层级脑区中对先验信息赋予更高权重，而在较低层级区域则更加依赖感觉输入。 这种层级特异性的先验异常既可以解释基础感觉加工的缺陷，也能够解释如幻觉或妄想等更复杂的现象，从而为文献中不一致的实验结果提供统一解释。 
近期研究表明，alpha频段（8-12 Hz）振荡旅行波可作为预测编码的神经标志物。 在这些研究中，研究者沿电极中央中线（Oz-Fz）测量神经活动，以确定振荡如何作为旅行波从枕叶向额叶传播（前向，forward [FW] 波），或沿相反方向传播（后向，backward [BW] 波）。 
基于一个在最小假设条件下实现预测编码的模型，有学者提出： FW旅行波编码感觉信息及预测误差（即自上而下预测与实际神经活动之间的差异），而BW波则传递先验信息 动态因果建模研究表明，神经活动的传播速度显著慢于轴突传导延迟，提示旅行波的传播依赖于群体动力学特征——这些特征在低频（如alpha频段）表现明显，但在各层级可能同步反映高频（如gamma频段）同步活动。 
一项药理学研究通过使用5-羟色胺能致幻剂（即DMT）进一步支持了旅行波与预测编码之间的关系。 根据近期提出的假说，致幻剂通过作用于大脑高层先验分布来降低其精确性（即方差的倒数）（图1B）。 因此，携带预测误差的前向旅行波（FW波）会增加（图1B左图）。 
在摄入DMT后，研究者观察到自上而下传播的alpha频段旅行波减少，而自下而上传播的旅行波增加。 
在本研究中，我们采用相同的分析方法，以检验精神分裂症患者在闭眼静息态脑电（EEG）以及视觉后向掩蔽（VBM）任务中，是否更依赖先验信息而非感觉证据。 基于贝叶斯框架，我们假设： 1.在静息态下，患者会表现出更强的alpha频段BW波（反映高阶先验精度增加） 2.在视觉任务中，患者会表现出更强的alpha频段FW波（反映感觉信息权重增加） 
静息态EEG数据采集自121名精神分裂症患者和75名健康对照（HC）。视觉后向掩蔽（VBM）任务的EEG数据采集自144名精神分裂症患者和96名HC，其中119名患者和75名HC同时具有静息态数据。除4名患者和2名HC的数据外，这两个数据集已在既往研究中使用（27-29）。 症状严重程度由经验丰富的精神科医师采用阴性症状评定量表（SANS）和阳性症状评定量表（SAPS）进行评估。在144名患者中，有131名正在接受抗精神病药物治疗，其氯丙嗪等效剂量见表1。 
在本研究中，目标刺激为Vernier刺激，即两条垂直线在水平方向上存在轻微的向左或右偏移（如图所示）。 下方线段相对于上方线段在水平方向上略微向左或向右偏移 参与者被要求判断该偏移的方向。随后呈现一个光栅mask刺激，使该偏移在空间和时间维度上的辨别更加困难。 实验包含四种刺激条件 
EEG数据采用BioSemi Active 2系统记录，使用64个Ag-AgCl烧结主动电极，并以common mode sense电极为参考。采样率为2048 Hz。 离线处理时将数据降采样至512 Hz，并使用自动预处理流程进行处理。 对于静息态EEG数据，预处理步骤包括： •1 Hz高通滤波 •去除工频噪声 •重参考为所有电极的双权重平均（biweight estimate） •坏电极剔除及三维（3D）样条插值 •剔除坏时间段 •独立成分分析（ICA）去除眼动、肌电及坏电极相关伪迹 •剔除含伪迹的时间段（1秒epoch） 对于VBM任务EEG数据，预处理流程与静息态类似，但采用1-40 Hz带通滤波（而非1 Hz高通滤波）。此外，由于EEG伪迹过多，剔除了2名患者（均在静息态数据集中）和2名HC（其中1名在静息态数据集中）的数据。 
参考我们此前的研究，本研究量化了沿中线7个电极（从枕叶到额叶：Oz、POz、Pz、CPz、Cz、FCz、Fz）的旅行波传播（图2）。 在将信号分割为一个个时间窗口（静息态为1秒，VBM为0.5秒）后，我们将7个电极信号堆叠，构建二维（2D）矩阵（时间 × 电极）。 随后，对每个二维矩阵计算二维快速傅里叶变换（2D FFT）。其中： •低象限的功率代表前向传播（FW，从枕叶到额叶） •高象限的功率代表后向传播（BW，从额叶到枕叶） 对于2-45 Hz范围内的每个频率，我们提取上下象限中的最大值，从而分别获得FW和BW波的频谱。 为了校正与旅行波无关的整体功率波动，需要定义基线。 因此，我们计算每个中线电极的一维FFT（1D FFT）平均值，作为不包含空间信息的频谱基线。 最终，旅行波幅值以分贝（dB）表示如下： •FW [dB] = 10 × log10 (FW / average) •BW [dB] = 10 × log10 (BW / average) 该指标用于量化旅行波相对于“无空间结构”的空分布的强度，因此在与零值进行对比时具有信息价值。 图2.旅行波的量化方法 在0.5秒或1秒的时间窗口内，我们通过整合7个中线电极的数据提取二维（2D）图谱。随后，对该二维图谱进行二维快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT），以评估前向（forward, FW；蓝色）和后向（backward, BW；红色）旅行波，其强度分别通过右下象限和右上象限中的最大值进行量化。最后，以各电极的一维FFT平均结果作为基线（详见方法部分），将旅行波幅度转换为分贝（decibel, dB）进行表示。 
本研究采用贝叶斯方差分析（Bayesian ANOVA）对不同频段平均的旅行波进行分析。 所有分析中，贝叶斯因子（Bayes factor, BF）用于衡量备择假设相对于零假设的支持程度，并统一表示为BF₁₀。 一般而言： BF₁₀ > 5 表示中等证据支持备择假设 BF₁₀ > 10 表示强证据支持备择假设 BF₁₀ < 0.5 表示支持无效应 
针对静息态下每个频带功率，将组别和电极作为因素； 针对每个频带的旅行波，将组别和传播方向（前向波或后向波）作为因素； 针对前向波和后向波，将组别和频带作为因素，并将性别、年龄和教育程度作为协变量。 针对VBM任务数据：将组别和时间作为因素； 随机项：被试 协变量：性别、年龄、受教育年限 最后，所有贝叶斯相关性计算均同时计算Pearson和Kendall相关 文中仅报告Pearson相关的BF值（两种方法结果一致） 所有统计分析均在JASP软件中完成，并采用默认均匀先验分布。 
如图3A所示，我们发现患者组在theta频带和alpha频带的频谱功率高于健康对照组，而在beta和gamma频带则无此差异。 接下来，图3B显示了两组的频谱：与我们之前的研究一致，在健康对照组中，我们发现了典型的频谱模式，即在alpha和低beta频带具有较高的后向波，而前向波的频谱曲线平坦（即各频带之间无差异）。 最显著的效应出现在alpha频带（由更大的BF值所证实），表现为精神分裂症患者的后向波增加而前向波减少。 图3.静息态下患者与健康对照组的旅行波差异 (A) 静息态数据集中，患者组与健康对照组在中线电极（横轴）上的各频段原始功率分布。频段划分为：theta（3-7 Hz）、alpha（8-12 Hz）、低beta（13-22 Hz）、高beta（23-30 Hz）以及gamma（30-45 Hz）。不同颜色代表不同频段。误差条表示标准误。 (B) 左侧面板展示了两个数据集中两组的前向（forward，蓝色）与后向（backward，红色）旅行波的频谱；右侧面板则给出了各频段的平均值。误差条表示标准误。1D表示一维；FFT表示快速傅里叶变换；H表示高频段；L表示低频段。 
当考虑个体化alpha频率时，该效应仍然存在（见图S1）。 图 S1 – 在静息态数据集中，基于个体alpha频率计算的alpha频段旅行波结果（包括对照组与患者组）。结果验证了在通用alpha频段（8-12 Hz）中观察到的模式。右侧图显示，与对照组相比，患者组整体表现出更低的alpha峰频率，这与既往研究报道一致。 
特别针对alpha和theta频带波，我们的结果显示两组在前向波上存在差异，但效应相反：患者在刺激开始后alpha频带前向波增强，而theta频带前向波则减弱。关于后向波，我们发现了theta频带存在差异的证据，但alpha频带则无差异。 图4.视觉后掩蔽任务中患者组与对照组的旅行波差异 (A) 时频图展示了前向（上方面板）和后向（下方面板）旅行波在对照组（左）与患者组（右）中的表现。颜色编码的数值为基线校正后的结果，基线取刺激呈现前200ms（横轴0ms处为刺激开始时刻）。 (B) 患者组与对照组（分别以虚线和实线表示）在各频段上的平均值及标准误。横轴表示时间（毫秒），其中0ms为刺激呈现时刻。误差条表示标准误。H表示高频段，L表示低频段。 
四种刺激条件下，alpha频段旅行波结果是否一致？ 总而言之，这些结果证实了我们的预测：患者组在alpha频带（以及在除mask only条件外的所有实验条件下）表现出更高的前向波（见图S2），这与他们更依赖于精度加权的感觉信息这一假设相一致。 图 S2 – 视觉任务中患者组与对照组的alpha频段旅行波差异。每一行代表一种实验条件。与主文图一致，每个子图展示了刺激呈现前后（0ms为刺激开始）患者组（虚线）与对照组（实线）的平均值及标准误。 
在144名患者和96名健康对照中，分别有119名患者和75名对照同时参与了静息态数据采集。这使我们能够进一步检验：静息态与视觉任务中的旅行波指标是否能够相互预测？结果是能。 表 S1 – 静息态与视觉后向掩蔽任务中旅行波的相关系数 
此外，作为对照分析，我们沿不同电极排列方向计算旅行波，以评估结果的空间特异性。 具体而言，在两个数据集中，我们分别计算了沿前后轴在左右半球传播的旅行波幅度（左半球电极：O1、PO3、P3、CP3、C3、FC3、F3；右半球电极：O2、PO4、P4、CP4、C4、FC4、F4）。 图展示静息态数据中前向（蓝色）与后向（红色）旅行波在对照组（实线）与患者组（虚线）中的结果； 对于静息态数据，在左右半球中均观察到alpha频段后向旅行波的增加，这一结果与中线电极分析结果一致。 此外，我们还分析了一条横跨左右半球中央区域的电极排列（电极：C5、C3、C1、CZ、C2、C4、C6）。如预期，在静息态数据中，两组之间未观察到频段特异性的差异，但在对照组中可见前向与后向旅行波在宽频范围内均有所增加。 图 S4 – 不同电极排列方向上的旅行波分析（见左上图示）。 图展示静息态数据中前向（蓝色）与后向（红色）旅行波在对照组（实线）与患者组（虚线）中的结果； 
类似地，在VBM数据集中，结果显示在刺激呈现后alpha频段前向旅行波出现特异性增强，尽管该效应弱于中线电极上的观察结果。 左右方向旅行波在VBM数据集中未观察到显著差异。 图 S4 – 不同电极排列方向上的旅行波分析（见左上图示）。 图展示VBM数据集中各频段的结果。横轴表示时间，其中0对应刺激呈现时刻（同主文图4）。 
为排除药物摄入可能带来的混杂因素，并探究旅行波是否与精神分裂症患者的精神病理学特征相关，我们首先将各频带前向波和后向波的幅度，与每位患者在记录期间所接受的氯丙嗪等效剂量，以及阴性与阳性症状评估（分别为SANS和SAPS）的得分进行了相关性分析。 在两个数据集（对于VBM数据集，我们采用了刺激开始后基线校正后的均值）和所有频带中，所有Pearson相关性分析结果均支持零假设，即波幅与氯丙嗪等效剂量之间缺乏相关性。 
其次，我们进行了前向波和后向波与SANS及SAPS得分之间的相关性分析。我们未发现静息态旅行波与SANS或SAPS得分之间存在相关性的证据。我们在VBM数据集中获得了类似的结果，在大多数频带中未发现任何相关性，唯一的例外是：SAPS得分与低beta频带、高beta频带和gamma频带的后向波之间，以及SAPS得分与gamma频带的前向波之间存在较小的相关性。 
这篇文章主推的结果和讨论主线是以下两个点： 在静息态数据集中，与健康对照相比，精神分裂症患者表现出自上而下（top-down）alpha频段旅行波的显著增加以及自下而上（bottom-up）旅行波的减少； 在视觉刺激条件下，则观察到前向（FW）alpha频段旅行波的增加，而后向（BW）旅行波在两组之间无显著差异。 这些结果支持这样一种观点：精神分裂症既与高层先验（high-level priors）精度的增强有关，也与感觉（低层）预测误差信号的增强传递有关。 
我们的发现有助于调和以往相互矛盾的研究结果。 简而言之，精神分裂症患者在神经调制层面存在一种缺陷，无法有效降低感觉预测误差的精度，这一点可由多种特质性症状和神经学体征所揭示（例如对幻觉的抵抗性、失匹配负波反应减弱）。 这种机制会诱发对先验信念精度的代偿性增强，从而解释阳性症状的产生。 我们分别在静息态以及视觉掩蔽（VBM）任务时均检测到旅行波。在VBM任务中，尤其是在静息态下（FW的降低），预测或感觉期望并未发挥显著作用，这表明alpha频段旅行波并不反映具体的感知任务特征，而更可能反映广义的脑状态。这一结论也得到了VBM任务不同条件之间缺乏显著差异（图S1）的进一步支持。 
与我们的研究一致，既往研究也将脑振荡与预测编码相关联，并基于一致的实验证据将预测及预测误差与不同频段联系起来。 具体而言，gamma振荡（>30 Hz）反映局部皮层活动过程，除参与多种认知功能外，还能够可靠地匹配感觉期望与预测误差：刺激的规律性重复会降低gamma振荡活动，而意外缺失则会增强其活动。 与我们的解释一致，alpha与beta频段振荡（约8-30 Hz）则与自上而下活动相关，负责将预测信号从高阶脑区传递至低阶脑区。 
在我们的研究中，自上而下的旅行波与先验信念之间的关系还得到了进一步支持：beta和gamma频段的后向（BW）旅行波与阳性症状评估量表（SAPS）之间存在中等程度的正相关，该量表用于量化幻觉、妄想及感知异常等症状。 值得注意的是，本研究首次将振荡视为在皮层中以前向（FW）与后向（BW）方式传播的旅行波，从而不仅考虑了振荡的时间维度，也纳入了其空间传播特性。 正是这一点，使我们能够在一定程度上调和关于精神分裂症中贝叶斯预测机制的分歧性发现。 
总而言之，我们的研究支持这样一个假设：精神分裂症患者具有更强的高级先验认知，这会引发更强的alpha频段振荡，同时其感觉预测误差信号的传递也得到增强，从而导致前向旅行波增加，最终表现为其认知与感觉世界模型更新过程的整体失调。 我们的结果为精神分裂症患者先验在层级特异性上的异常提供了直接而有力的证据。 未来研究将进一步探讨，在精神病谱系中是否同样存在类似的旅行波异常模式 
汇报到此结束，谢谢大家！ 
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