《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Aperiodic exponent of brain field potentials is dependent on the frequency range it is estimated
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【编辑推荐】本研究针对脑场电位非周期斜率(1/f slope)估计受频率范围影响的问题，通过分析62例患者静息态颅内记录，结合Specparam和IRASA两种方法系统评估不同频段的非周期指数。结果发现低频段(＜30Hz)斜率显著小于高频段，且不存在稳定的估计频段。这一发现对跨研究比较非周期参数具有重要意义，提示频率特异性非周期估计可能反映不同的皮层特性。
当我们观察脑电波图谱时，通常会注意到那些有规律的振荡波峰，但科学家们越来越意识到，那些看似随机的背景活动可能隐藏着大脑运作的重要密码。这种被称为非周期活动（aperiodic activity）的脑电成分，其功率谱密度符合幂律分布（power law），其中非周期指数（aperiodic exponent）近年来被视为反映大脑兴奋与抑制平衡（E/I balance）的关键生物标志物。从麻醉状态到神经精神疾病，这个看似简单的参数正在为理解大脑功能提供全新视角。
然而，一个令人困扰的问题逐渐浮现：不同研究报告的非周期指数值存在显著差异。理想情况下，完美的幂律行为应该在不同频率范围内保持一致，但现实是否如此？研究人员怀疑，这种差异可能源于各研究采用不同的频率范围进行估计——有的使用30-45Hz，有的选择1-40Hz，还有的采用4-50Hz。更令人担忧的是，有迹象表明在高频范围估计的斜率值往往更大。如果这一猜想成立，将严重挑战跨研究比较的可靠性，甚至影响我们对非周期指数生物学意义的理解。
为解开这一谜团，由Gonzalo Boncompte和Vicente Medel等研究人员组成的团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了一项开创性研究。他们收集了62名难治性癫痫患者在进行术前评估时的立体定向颅内脑电图（SEEG）记录，所有这些患者在Grenoble大学医院接受治疗，并提供了知情同意。研究团队精心筛选了5分钟睁眼静息状态下的清洁信号段，排除了所有病理性和发作期数据，确保分析结果的可靠性。
研究采用了两大互补的技术方法：Specparam（原FOOOF）和不规则重采样自谱分析（IRASA）。Specparam算法通过将功率谱分解为周期性和非周期性成分，直接拟合幂律参数；而IRASA则利用重采样技术分离振荡活动与背景非周期成分。团队创新性地引入了中心频率（CF）和频谱宽度（spectral width）的概念，系统评估了从3Hz到125Hz共55个中心频率范围，每个范围跨度2个八度，如中心频率30Hz对应15-60Hz范围。这种设计使研究人员能全面评估非周期指数对估计频率范围的依赖性。
非周期参数与中心频率的关系（使用Specparam）
研究发现非周期指数强烈依赖于所使用的频率范围。当中心频率低于约30Hz时，非周期斜率随中心频率增加而显著增加。大多数受试者在低于30Hz的中频范围内表现出显著正相关，而在较高频率下出现分化现象。非周期偏移（offset）也显示出类似的频率依赖性模式。
非周期参数与中心频率的关系（使用IRASA）
IRASA方法显示出更为一致的正依赖关系，在整个测试频率范围内，非周期斜率和偏移都随中心频率增加而增加。这种模式在所有受试者中高度一致，进一步证实了非周期参数的频率依赖性非方法特异性现象。
双非周期斜率的iDFT模型信号
为区分真实生物学现象与方法学平滑效应，团队构建了逆离散傅里叶变换（iDFT）模拟信号，设置低频段（0.5-10Hz）斜率为1，高频段（10-240Hz）斜率为0.5至3.0的六种组合。两种方法均显示出明显的平滑效应，但实证数据中的连续依赖关系与模拟信号的S型曲线明显不同，表明观察到的现象不能仅归因于方法学伪影。
这项研究通过高质量颅内记录数据揭示了一个被长期忽视的重要现象：脑电非周期指数并非频率不变的恒定参数，而是强烈依赖于估计时使用的频率范围。特别是在低于30Hz的范围内，这种正依赖关系在受试者间高度一致，且不受分析方法（Specparam或IRASA）影响。研究结果对日益增长的非周期成分研究领域具有重要警示意义：不同频率范围估计的指数值可能不具有直接可比性，而简单规定统一频率范围也非理想解决方案。
更为深远的是，这一发现引发了关于非周期指数生物学意义的重要思考：低频和高频范围估计的非周期指数是否反映相同的皮层特性？它们与兴奋/抑制平衡的关系是否一致？这些问题的答案可能指向频率特异性非周期活动的不同神经机制，为理解大脑动力学开辟了新方向。未来研究需要更精细地探索不同频率范围内非周期参数的功能意义，同时临床应用中需明确报告估计频率范围以确保结果可比性。这项工作不仅揭示了方法学上的重要考量，更指引我们重新审视大脑非周期活动的复杂本质。
