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功能性連結與體積傳導陷阱

相干性、相位鎖定,以及零延遲的場擴散為何處處偽造出耦合——並介紹為對抗它而生的虛部量測。

從單一源到網路

至今我們每次只銳化一個源。功能性連結提出下一個問題:哪些腦區在統計上耦合、又如何耦合?用語很重要——功能性、有效與有向連結彼此不同:功能性連結是對稱的統計相依,有效連結蘊含因果影響,有向連結則估計其方向。本篇涵蓋對稱、無向的量測,下一篇處理方向。

相干性與交叉頻譜

最基礎的量測是相干性,即兩通道間隨頻率解析的相關。它由交叉頻譜密度 S_{xy}(f) 經各通道自身頻譜正規化而成,於每個頻率給出 [0,1] 之間的值。

C_{xy}(f) = \frac{\lvert S_{xy}(f)\rvert^{2}}{S_{xx}(f)\,S_{yy}(f)}

幅值平方相干:兩通道在頻率 f 上共享的變異數比例。

與先前相同的平方模同調:兩通道在頻率 f 共享的變異數比例,落在 0 到 1 之間。此處把它用作腦訊號之間的功能連結度量。

C_{xy}(f)
通道 xy 在頻率 f 的同調。
|S_{xy}(f)|^{2}
共享(交叉)功率的平方。
S_{xx}(f),\,S_{yy}(f)
各通道自身的功率。
[0,1]
取值範圍——從毫無關聯(0)到完全共享(1)。

幅值平方相干代表兩訊號在各段落間維持一致的幅值與相位關係。它直觀又便宜——而且正如我們即將看到的,也危險地容易被灌高。

相位同步:PLV

相干性混合了幅值與相位。你常常想要相位的一致性,不受幅值影響。相位鎖定值(PLV)正是如此:(透過 Hilbert 或小波轉換)取出瞬時相位差,並量測它在單位圓上聚集得有多緊。

\mathrm{PLV}(f) = \left\lvert \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N} e^{\,i\,\Delta\phi_n(f)} \right\rvert

PLV:N 個試次/段落上平均相位差向量的長度——1 為完美鎖定,0 為相位均勻。

PLV是跨試次或段落的平均相位差箭頭的長度。接近 1 代表兩訊號維持穩定的相位關係;接近 0 代表它們的相位差基本上是隨機的。

\mathrm{PLV}(f)
頻率 f 的相位鎖定值。
\Delta\phi_n(f)
在該頻率、第 n 段的相位差。
e^{i\Delta\phi_n}
代表該相位差的單位箭頭。
\left|\tfrac{1}{N}\sum\right|
N 段取平均後的長度。

毀掉天真連結分析的混淆因子

拯救整個領域的洞見是:兩個分離腦區之間的真實互動需要時間——軸突傳導與突觸帶來非零延遲,因而有非零的相位落後。瞬時、零延遲的耦合是假影的指紋,而非生理的指紋。

抗混淆的量測

解方是只保留交叉頻譜中帶有相位落後的部分。虛部相干捨棄實部(零延遲部分)而保留虛部;相位落後指標(PLI,及其加權表親 wPLI)僅使用虛部交叉頻譜的正負號,因而對源強度與最嚴重的場擴散偏差都具穩健性。

\mathrm{PLI}(f) = \bigl\lvert \langle \operatorname{sign}\!\left(\operatorname{Im}[S_{xy}(f)]\right) \rangle \bigr\rvert

PLI:相位落後正負號的一致性——依其構造,對零延遲(體積傳導)耦合不敏感。

一個關鍵問題:體積傳導會讓遠處的感測器在零延遲看起來同步,即使並無真正的耦合。PLI只看相位落後是否一致地為正或為負,以此避開此問題——零延遲的洩漏毫無貢獻。

\mathrm{PLI}(f)
頻率 f 的相位落後指數。
\operatorname{Im}[S_{xy}(f)]
交叉譜的虛部——僅在有真正落後時才不為零。
\operatorname{sign}(\cdot)
只保留落後的方向(正負號)。
\langle\cdot\rangle
對試次或段落取平均。

感測器空間仍會說謊——前往源空間

即使是虛部量測,也是在混合的感測器訊號上計算的,因此仍受場擴散偏誤影響。有原則的下一步,是先重建源、在源空間估計連結,並施加明確的洩漏校正。這一點,連同有向量測,是最後一篇的主題。