[论文解读] Prefrontal cortex functional connectivity based on simultaneous record of electrical and hemodynamic responses associated with mental stress

Fares Al-Shargie|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Heart Rate Variability and Autonomic Control被引用 5

一句话总结

本研究利用同步的脑电图（EEG）和功能性近红外光谱（fNIRS）记录，调查了在心理应激状态下前额叶皮层（PFC）的功能连接，分析了α节律（8–13 Hz）和血流动力学反应（氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白）。研究发现，背外侧前额叶皮层的跨半球及同半球功能连接显著降低，且在应激条件下表现出更强的右侧半球优势。

ABSTRACT

This paper investigates prefrontal cortex (PFC) functional connectivity based on synchronized electrical and hemodynamic responses associated with mental stress. The electrical response was based on alpha rhythmic of Electroencephalography (EEG) signals and the hemodynamic responses were based on the mean concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin measured using functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS). The aim is to explore the effects of stress on the inter and intra hemispheric PFC functional connectivity at narrow and wide frequency bands with 8- 13 Hz in EEG and 0.009-0.1Hz in fNIRS signals. The results demonstrated significantly reduce in the functional connectivity on the dorsolateral PFC within the inter and intra hemispheric PFC areas based in EEG alpha rhythmic and fNIRS oxygenated and deoxygenated hemoglobin. The statistical analysis further demonstrated right dorsolateral dominant to mental stress.

研究动机与目标

• 利用多模态神经影像技术，研究心理应激状态下前额叶皮层（PFC）的功能连接。
• 探讨在应激状态下，前额叶皮层中电生理活动（EEG α节律）与血流动力学反应（fNIRS）之间的关系。
• 评估在窄频带（8–13 Hz）和宽频带（0.009–0.1 Hz）下，背外侧前额叶皮层的跨半球与同半球连接变化。
• 确定半球偏侧化效应，特别是右侧背外侧前额叶皮层在心理应激下的主导作用。

提出的方法

• 在心理应激任务期间同步记录脑电图（EEG）和功能性近红外光谱（fNIRS）信号。
• 从前额叶区域提取EEG α频段功率（8–13 Hz），以评估电生理活动。
• 使用fNIRS测量氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的平均浓度，用于血流动力学反应分析。
• 通过PFC区域之间（跨半球及同半球）的相关性或相干性度量计算功能连接。
• 频带特异性分析：EEG在8–13 Hz（α频段），fNIRS在0.009–0.1 Hz（低频波动）。
• 对不同条件下功能连接强度进行统计比较，重点关注右侧与左侧背外侧前额叶皮层的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 心理应激如何影响通过EEG和fNIRS测量的背外侧前额叶皮层（DLPFC）的功能连接？
• RQ2 在应激状态下，前额叶皮层中EEG α节律与血流动力学反应（HbO/HbR）之间存在何种关系？
• RQ3 在应激条件下，前额叶皮层的跨半球连接与同半球连接之间是否存在显著差异？
• RQ4 在心理应激反应中，左侧或右侧半球中哪一个表现出更大的功能连接破坏？

主要发现

• 在心理应激状态下，背外侧前额叶皮层（DLPFC）的跨半球和同半球连接均表现出显著降低的功能连接。
• 在EEG α频段（8–13 Hz）和fNIRS导出的血流动力学信号（HbO 和 HbR）中，均一致观察到功能连接的降低。
• 与左侧相比，右侧背外侧前额叶皮层表现出更大的功能连接破坏，表明在心理应激下右侧半球占主导。
• EEG与fNIRS的联合分析揭示了连接抑制的一致模式，支持了多模态验证PFC应激反应的有效性。