Brain综述：整合直接电刺激与脑连接组学

神经和神经发育疾病是一个主要的公共卫生问题，迫切需要新的治疗方法。有效疗法的发展依赖于对行为产生过程中涉及的神经底物的精确定位。在清醒手术中进行的认知和神经监测中进行的直接电刺激(Direct electrical stimulation, DES)目前被认为是脑功能因果关系映射的金标准。然而，DES受限于刺激位点的局限性，阻碍了在网络水平上对人脑功能的真正整体探索。我们使用了来自612例胶质瘤患者的4137个DES点，并结合人类脑连接组数据——静息态功能MRI (n = 1000)和扩散加权成像(n = 284)——来提供针对12个不同行为域的因果宏观功能网络的多模态描述。为了探讨我们的程序的有效性，我们(i)比较了健康人群和临床人群的网络地形;(ii)测试了DES衍生网络的预测能力;(iii)量化结构连接与功能连接之间的耦合;(iv)建立一个多元模型，能够量化单个受试者偏离正常人群的情况。最后，我们通过测试DES衍生的功能网络在识别与术后语言障碍相关的关键神经调控靶点和神经底物方面的特异性和敏感性，探索了其转译潜能。与单独使用DES相比，DES和人类连接组数据的组合使全脑覆盖率平均增加了29.4倍。DES衍生的功能网络可以预测未来的刺激点(准确率为97.8%)，并得到皮层下刺激的解剖连接的有力支持。我们没有观察到患者和健康人群在组和单一受试者水平之间有任何显著的地形差异。在具体的临床应用中，我们发现DES衍生的功能网络在多个功能域与有效的神经调控靶点重叠，在使用不同刺激技术的颅内刺激点进行测试时显示出高度的特异性，并可有效地用于表征术后行为缺陷。DES与人类连接组的集成从根本上提高了DES或单独功能成像提供的功能映射的质量。DES衍生的功能网络可以可靠地预测未来的刺激点，与基础白质有很强的对应关系，可用于患者特异性的功能定位。可能的应用范围从精神病学和神经病学到神经心理学、神经外科和神经康复。

1. 简介

神经和神经发育状况，以及精神障碍，是残疾的主要原因之一，每年导致900多万人死亡。在所有国家，这些疾病都很普遍且治疗不足。

新的治疗方法(包括调节参与健康脑功能和功能恢复的脑区)具有坚实和良好的前景，也是临床的迫切需求侵入性和非侵入性脑刺激技术的试验针对多个脑区，但关于最佳靶点的共识很少。与这种不确定性相一致，美国食品药品监督管理局批准用于治疗精神疾病的经颅磁刺激装置被设计为针对一组空间分布的大脑区域。开发新的有效的(有创和无创)神经调控疗法需要获得越来越多的皮质和皮质下神经底物信息，这些底物涉及不同的认知领域。

在清醒手术的认知和神经监测期间进行的直接电刺激(DES)是有助于解决这一问题的一个独特信息来源。DES目前被认为是识别对功能保存至关重要的皮质和皮质下区域的最可靠的脑定位策略，因为它已被证明可以大大改善脑肿瘤患者的临床结局和肿瘤学病史。至关重要的是，DES使我们有可能获得包含若干脑网络空间构型因果信息的概率功能图谱，这具有重要的科学和临床意义。然而，现有的基于DES的概率图谱目前无法提供这种图谱，因为它们受到刺激部位的局限性的限制。最近的4项研究试图通过将DES与功能成像相结合来填补这一空白。其中一项研究使用立体定向脑内脑电图(时间分辨率高，但脑覆盖较差且不完整)来表征躁狂症状态引起的网络重构，而另外两项研究则在未恢复对应行为域的统一网络的情况下，通过功能MRI识别了语言和运动相关的子网络成分。最后，Elmalem和他的同事们率先勾画出了一种新的方法学框架，能够将DES与连接组映射相结合。然而，作者将他们的分析局限于内侧壁，并且没有将他们的分析扩展到功能性网络属性。综上所述，这一不断发展的文献领域证实，需要一种稳健的程序，能够在局部电刺激、行为和人类大脑宏观功能网络的空间安排之间建立因果关系。

最近方法学的发展使我们能够利用人类连接组将不同大脑位置的病变与共同的神经解剖学基质联系起来，人类连接组详细描述了大脑区域如何相互通信，从而形成大规模功能网络。在本报告中，我们试图整合迄今为止最大的脑胶质瘤患者DES数据集，并对1000名健康个体进行了功能连接组映射，利用网络枢纽来构建一个能够量化单个受试者偏离参考人群的多变量规范模型。因此，我们建议将DES脑图扩展到探索其在全脑水平的网络表现，并以单一主题的分辨率，为神经调控治疗和广泛的临床和外科应用提供一个可行的解决方案。

2. 材料和方法

2.1 数据集

我们使用了来自592例低级别(WHOⅱ级)和20例高级别(WHOⅲ级)胶质瘤患者的2906个皮质和1231个皮质下DES点来提供12个功能域下网络的多模态映射。DES定位过程中评估的12个功能类别包括:言语命名障碍、语义和语音错语、非言语语义联想、运动和感觉反应、心智化、运动阻滞、空间知觉、言语阻滞、言语失用和视觉。

除了34例同时接受DES和功能成像的患者，我们还纳入了32例(25例高级别和7例低级别)在全身麻醉下接受手术的胶质瘤患者的术前静息态功能MRI扫描。

用于测试皮质DES网络与皮质下刺激点之间耦合的弥散加权成像数据集由284名健康个体组成。

2.2 规范网络构建

我们使用病灶网络映射(LNM)和GSP数据集从DES皮质点集获得功能网络。通过使用与某一综合征相关的病变位置，从一个大的健康受试者队列中获得具有群体代表性的功能连接图，LNM利用病变位置的空间异质性，提取与该综合征相关的共同神经基质。类似地，我们将每个皮质DES点作为短暂病变，使用它作为种子来导出功能图(图1)。对于每个功能类别，我们使用非参数程序[随机化，在FMRIB软件库(FSL)中实现]获得了一个脑图，在每个体素位置分别表示正网络(功能相关，图2)和负网络(功能反相关)具有统计学显著功能连接的DES衍生种子的百分比。为了量化DES联合功能成像提供的脑覆盖增益，我们比较了DES衍生网络在灰质中的空间扩展与仅基于DES点的概率模型提供的覆盖(图3)。

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图1 皮层直接电刺激的网络构建

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图2 传统概率直接电刺激脑功能图谱与直接电刺激结合连接组图的比较

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图3 正确分类的直接电刺激部位的超越曲线和准确度值。

2.3 验证

我们实施了三种不同的分析来验证我们的方法。首先，我们利用34例术前有功能成像的患者的DES点和功能成像扫描，计算了胶质瘤患者的组平均DES驱动功能图与健康人群的组平均DES驱动功能图之间的相似度(通过Pearson相关，对空间自相关进行校正)。

其次，我们通过交叉验证测试了DES衍生的网络是否可以预测未来的刺激点(图3)。

最后，我们使用TractoInferno数据测试了皮质下刺激的结构连接是否支持DES衍生的皮质网络。具体来说，我们首先为284名受试者生成了一个功能类别特定的纤维束图(即284 × 12个通过受限球面去卷积确定性纤维束图生成的纤维束图)。在第二步中，我们提取了连接每个皮质下DES点到相应DES正、负功能网络的流线的百分比，并对受试者进行平均，得到图4中报告的数量。

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图4 皮质下直接电刺激与功能定位的整合

2.4 单个个体分析

为了突出DES衍生网络在临床实践中的潜在应用，我们实施了一项多变量离群值检测分析，该分析能够量化单个受试者功能组织对在组水平获得的映射的依从性(图5A和图5B)。对于验证分析，我们最初将计算限制在95个皮质DES点的相同子集，这些点来自34例既有DES又有术前功能成像的患者(详见“验证”部分)。接下来，我们重复上述步骤，以建立一个针对语言的分类器，该分类器来自于刺激点(对于每个类别而言)，这些刺激点分别位于命名障碍、语义和语音的中心区域内。在后一项分析中，我们还纳入了接受手术但未进行DES mapping的胶质瘤患者的功能扫描(最终n = 66)。根据交叉验证程序(见“验证”部分)，将枢纽阈值设置为各功能类别的第90百分位数。并对健康人群进行交叉验证(留一)，构建参考分布。分类评分高于参考人群负值的中位数的中心点被标记为强离群值。此外，我们采用非参数程序来比较两个样本的分布。从1000名健康对照者中随机抽取66名，重复该程序10万次(置换抽样)。在每次迭代中，我们进行了两样本t检验，将随机提取的66名健康受试者与66例患者进行比较，并提取效应量(根据Cohen 's d)作为兴趣的度量。

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图5 单个被试分析和临床和参考人群之间比较的管道说明

2.5 临床验证

为了证实“验证”部分中描述的预测分析，我们进行了一项混合文献综述/实证分析，目的是探讨是否可以将DES衍生的网络与侵入性和非侵入性刺激技术结合使用，或者用于表征精神疾病的神经基质(分别为图6A和图6B)。最后，我们利用DES衍生的网络来研究短暂的术后行为缺陷(图6C)。

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图6 直接电刺激衍生的功能网络的临床验证

3. 结果

3.1 从直接电刺激点到宏观功能网络

我们使用了来自592例低级别(WHOⅱ级)和20例高级别(WHOⅲ级)胶质瘤患者的2906个皮质和1231个皮质下DES点，并结合LNM(图1)，以提供12个不同功能域/类别下因果功能网络的多模态映射(图2，“材料和方法”部分和补充材料)。通过使用与某一综合征相关的病变位置作为种子，从一个大的健康受试者队列中获得群体代表性的功能图，LNM能够利用病变位置的空间异质性来提取与该综合征相关的共同神经基质同样，我们将每个皮质刺激点作为短暂损伤，并将其作为种子，在来自1,000名健康个体的规范连接组(GSP数据集)中进行基于种子的分析。通过非参数程序进行二值化后，我们聚合了DES驱动的功能图，以获得与关注的功能类别对应的宏观功能网络，对于正(即功能相关;图2)和负性(即功能性反相关)网络。

关于DES点的空间分布，我们发现语言相关的功能类别主要位于左侧，而心智化和空间感知刺激点更多地位于右半球(补充表2)。感觉-运动和运动规划网络(即言语失用、言语停止和负性运动反应)显示了预期的双半球表征。所有探索的网络的功能分布与文献一致，包括先前描述的用于语言阐述的双半球支持。与单独使用DES点提供的最尖端概率网络构建程序相比，结合DES和功能成像导致全脑灰质覆盖平均增加29.4倍，这一数量在9.84 ~ 92.93之间，取决于考虑的功能类别的DES点数量(图2)。值得注意的是，DES衍生的网络呈现在两个粒度级别上，即。两个不同的频率阈值——表明存在广泛和重叠的功能系统，但却具有高度的专业化。

3.2 探讨直接电刺激网络在群体水平上的有效性

通过在体素水平提供功能连接图，基于种子的分析允许对全脑连接进行区域无约束的映射，结合来自DES的种子，它允许对每个测试功能类别的假定大尺度功能网络的空间地形进行因果映射。为了探究映射过程的可靠性，我们实现了一系列附加的分析。首先，我们利用34例有术前功能成像资料的患者的DES点和功能成像扫描，计算了胶质瘤患者的组平均DES驱动功能图与健康人群的组平均DES驱动功能图之间的相似程度(通过Pearson相关，对空间自相关进行校正)。虽然规模不大，但该数据集提供了一个独特的机会来测试相同个体内DES和连接组映射之间的对应关系。在这一患者亚组中，我们将比较限制在临床感兴趣的功能类别——感觉运动功能和语言——并且至少有10个刺激点可用。根据这些标准，命名障碍(n = 22)、言语障碍(n = 31)、感觉障碍(n = 12)和运动障碍(n = 30)被保留用于进一步分析。我们发现，在验证分析中测试的95个DES点子集中，胶质瘤患者的组平均DES驱动功能图和健康人群的组平均DES驱动功能图没有差异，即使在考虑了空间自相关。在“材料和方法”部分和补充材料中报告了进一步的方法学细节，以及我们进一步划分高级别和低级别胶质瘤患者的附加分析。

其次，我们通过交叉验证测试了DES衍生的网络是否可以预测未来的刺激点(详见“材料和方法”部分)。

事实上，我们的分析表明，DES阳性网络可以预测未来的刺激点(准确性为97.8%)。在不同功能类别中，DES阳性网络的遗漏点的中位一致率远高于DES阴性网络(分别为0.95和0.02，第25和第75百分位数分别为0.89和0.98,DES阴性网络分别为0.01和0.06)。在图3中，我们描述了正确分类的遗漏点在DES正网络中的频率分布，绘制为在某个网络阈值(即频率)上找到一个未见刺激点的概率(y轴)(x轴)，即所谓的超越曲线。我们的分析强调了以初级感觉区域为中心的功能类别和依赖广泛分布的功能网络的认知需求功能类别之间的明显差异。

最后，我们使用TractoInferno数据集来测试皮质下刺激的结构连接是否支持DES衍生的皮质网络(图4，最上面一行)。对皮质下DES点的结构连接的研究揭示了结构和功能之间的紧密耦合，因为我们发现，与相应的DES负网络相比，特定功能类别的皮质下DES点更倾向于连接相应的DES正网络(图4)。

3.3 在单个受试者水平上探讨直接电刺激网络的有效性

尽管DES和连接组映射的整合在组水平产生了稳健和可靠的映射，但它无法捕捉单个受试者偏离规范人群的情况，因此无法满足个体(或患者)特定功能映射的迫切需求。为了填补这一关键空白，我们实施了一种多元离群值检测分析，该分析能够量化单个受试者功能组织对组水平上获得的映射的依从性(图5A和B)。对于验证分析，我们最初将计算限制在95个皮质DES点的相同子集，这些点来自34例有DES和术前功能成像的患者(详见“验证”部分)。接下来，我们重复这个过程，以建立一个针对语言的分类器，该分类器来自刺激点(对于每个类别而言)，这些刺激点独立地落在命名障碍、语义和语音的网络中心区域内。在后一项分析中，我们还纳入了未进行DES mapping的手术的胶质瘤患者的功能扫描(最终n = 66，见“材料和方法”部分和补充材料)。无论是在临床人群还是在正常人群中，强偏态语言中枢的分布都表现出明显的右偏态分布(图5C，底部行)，绝大多数个体没有或很少有强偏态语言中枢点，以及一小部分患者和健康受试者都具有强偏态网络结构的特征。我们的非参数分析显示，在80%的时间内，两个人群的Cohen′s d≤0.52，因此表明枢纽点的功能结构存在小或中等差异(补充图5)。与此结果一致，在34例可获得功能成像的患者子集中，95个DES点均未被归类为离群值。

3.4 临床验证

在测试我们的绘图程序的方法学可靠性后，我们进行了一系列混合文献概述/实证分析，旨在突出潜在的有用的临床应用。

为了补充DES衍生网络的预测能力，我们首先测试了DES衍生网络对通过SEEG获得的241种DES刺激的特异性，并且不导致行为中断。重要的是，与不同刺激技术的比较代表了一个重要的试验场，因为它探索了我们的作图程序的普遍适用性。如图6A所示，我们的分析表明，SEEG负性反应稳健地与DES正功能网络的高外围区域共定位。我们还发现，在DES正功能网络的显著区域有残留的SEEG负性反应，这可能是由于Elmalem等的SEEG负性反应和我们术中测试的DES正性反应之间的重叠，如图6A的3D渲染图所示，在相应的二部分功能网络上，DES正性点(红色)和SEEG负性点(蓝色)的对比。在这里，我们认为这种重叠部分地掩盖了另一个潜在的结果，即在DES负网络中有更高的负SEEG点的发生率，因为与DES正网络相比，仅在感觉网络中有统计学意义。

其次，我们进行了定性文献综述，以探讨是否可以利用DES衍生的网络来识别新的神经调控靶点。我们发现，言语失用、卒中诱发失语和卒中后运动功能恢复2的部分恢复脑区与相应的DES衍生网络在空间上重叠，但与单独基于DES的功能图谱(分别为图6B的左、中和右图)不重叠(或仅最小程度重叠)，这凸显了我们的定位程序可能具有的高度敏感性。

第三，通过将手术切除的DES的语音和语义的正/负网络的重要性与相应的语音和语义流畅性的术后行为评分相关联，我们研究了DES衍生的网络在表征语言域的短暂术后缺陷中的潜在作用。如图6C所示，我们发现切除的DES正性网络对语义的重要性与语义流畅性得分之间存在较强的负相关关系(得分越低，受损程度越高)，而对DES负性网络进行测试时则没有发现这种关系(图6C，左面板)。删除DES正网络的重要性与语音流畅性得分呈负相关。值得注意的是，对于DES语音网络，我们发现6例患者具有完美的双结构手术腔(例如完全属于DES正网络或DES负网络)。将这些患者从分析中剔除并未显著影响结果(图6C，右面板)。因此，图6C中的散点图是在没有这6例患者的情况下生成的。

最后，正如补充材料中更深入的报道，我们发现，反映背外侧前额皮质(与心智化能力相关的因果网络的关键区域)局部自发活动强度的综合指标与孤独症谱系障碍患者的社会行为受损之间存在中度正相关。

综上所述，我们的初步结果突出了我们的绘图程序的潜在神经科学和临床潜力，这体现在在捕获侵入性和非侵入性神经调控靶点方面的高度特异性和敏感性。

4. 讨论

在本报告中，我们提出了一种能够整合DES和功能成像的新框架，提供了与12个不同功能域的刺激位点相关的网络的前所未有的描述。我们的研究结果表明，与仅刺激点的空间分布相比，DES和功能成像的整合导致了脑覆盖的大幅增加。重要的是，我们发现DES衍生的网络可以预测未来的刺激点，证实了LNM应用于DES的因果性质。此外，我们还通过比较健康人群的大型数据集和有价值的患者数据集(DES映射和功能成像均可用)，评估了将从一组患者获得的DES点转移到健康人群的有效性。我们在正常人群和患者的平均网络表征中发现了稳健的高于偶然性的相似性，这证实了我们的映射的正确性。我们还进行了另外一项概念验证分析，通过将皮质下刺激点与DES衍生网络连接，我们探索了结构和功能之间的耦合。我们发现皮质下刺激点和DES正性功能网络之间有很强的结构连接，这强调了我们研究的有效性。最后，为了强调DES衍生网络在临床实践中的潜在应用，我们利用具有术前功能成像数据和DES点的个体子集实现了一个多变量规范模型，该模型能够量化单个受试者与参考人群的偏差。我们的分析提示，在单受试者水平测试的这一患者子集的功能结构与规范人群高度一致，通过增加临床人群的规模和使用语言特异性分类器，进一步验证了这一结果。

DES和连接组图的整合提供了一个了解大脑内在组织的独特窗口，提供了对人类大脑功能的真正整体探索，具有重要的临床和科学后果，并在两个主要方向上促进了我们对人类大脑基本结构原理的理解。首先，DES和连接组映射的整合在网络层面产生了无法单独使用DES或磁共振成像实现的机制见解，这体现在DES衍生网络的预测能力以及与仅刺激点的空间分布相比，脑覆盖率的增加。值得注意的是，结构连接的增加进一步证实了我们结果的特异性和生物学合理性，因为DES阳性网络的特征似乎是一个强大的结构支架。

我们工作的第二个显著贡献在于有机会量化单个主体功能组织对群体水平上获得的因果映射的依从性。虽然我们的结果表明，在枢纽点的功能结构方面，患者和正常人群之间存在小到中等程度的差异，因此强烈证实了我们的映射的可靠性，但单主题分析的信息价值并不局限于验证一种计算技术。在此，我们提出了DES和功能成像的整合，结合单主题管道，作为新的颠覆性工具，能够勾画侵入性和非侵入性的刺激靶点，打破可能的确认偏差，并扩大我们对人类大脑的探索。为了进一步证实这一点，在我们的临床验证分析中，我们发现DES衍生的功能网络在多个功能域与有效的神经调控靶点重叠，在使用不同刺激技术的颅内刺激点进行测试时显示出高度的特异性，并且可以有效地用于表征术后行为缺陷和神经发育障碍。

初步结果显示，消融重要的DES阳性而非DES阴性网络区域与术后1周观察到的行为缺陷密切相关，我们认为DES衍生的网络也可以在手术规划中发挥关键作用。例如，DES正性网络可以与新患者的功能扫描结合使用，以探测单个受试者对在组水平上获得的地图的依从性，识别可能偏离的脑区。这样，在无法进行清醒手术和DES定位时，可以避免特定功能的网络集线器被切除，从而避免不可修复的功能损伤。值得注意的是，可能的应用范围并不局限于神经外科和神经调控，但它可能更广泛。我们设想将DES衍生的网络作为一种新的工具，以获得基于皮质-皮质下网络破坏的认知综合征和特定认知障碍的新见解，或探索和定义病理性和健康受试者的大脑可塑性机制。

虽然我们的多模态程序勾画了一个稳健的框架，能够提供人类大脑中大脑网络的因果映射，但也存在一些局限性。首先，LNM仅允许在网络水平进行因果推断，而不允许在单个脑区水平进行因果推断。这也适用于枢纽区域，尽管它们在定义网络方面发挥着关键作用，但对于产生某种行为可能是关键，也可能不是。其次，以因果方式进行网络组合是不可能的，因为这需要所有可能的网络组合都有刺激点，鉴于术中明显的时间限制，这是不可行的。第三，临床人群的样本量相当有限，限制了患者和健康人群之间网络拓扑比较以及单受试者临床验证分析的解释力。更大的临床样本可用于建立偏离的功能结构与认知和/或遗传因素之间的联系，并重复我们临床验证的初步结果。最后，DES制图本质上与选择和抽样偏倚以及有限的大脑覆盖有关。刺激是由肿瘤的位置所驱动的，一些大脑区域很难到达(例如小脑)，并且负性刺激数据的获取通常没有实现，因为它需要多次检查(如果有的话)每一个术中视频记录。更均衡的正/负响应采集和更全面的DES点空间覆盖可用于重新定义网络，从而获得更精确的功能地图。

总之，DES与人类连接组的整合从根本上提高了DES或单独功能成像提供的功能映射的质量。DES衍生的神经网络可以可靠地预测未来的刺激点，与基础的白质有很强的一致性，并可用于单个受试者的特定功能定位，对神经调控治疗和术前神经外科规划具有重要影响。

参考文献：Integrating direct electrical brain stimulation with the human connectome.