神经环路应用（9）：WISDEM——同步EEG和MRI的混合无线集成传感探测器

同步记录脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）信号，能够揭示跨尺度神经血管动态，对解释大脑功能与行为之间的基本关联至关重要。其中，fMRI 基于血管血流动力学（如血流、血容量、血氧水平）间接评估全脑神经元活动，EEG 则提供大脑状态动态的时间信息，二者结合在定位病灶、追踪静息态、睡眠及认知状态下的脑网络等方面作用显著。

传统同步需通过有线连接构建共同电压接地，轻微的结电阻变化会改变基线，导致难以重现后续分析所需的基线模式；且有线连接易收集电磁干扰伪影，尤其在 MR 激发脉冲和切换磁场梯度期间。虽可通过后处理部分去除伪影，但从强背景干扰中可靠恢复弱 EEG 信号，需高增益前置放大器和大动态范围高速模数转换器，这增加了额外的屏蔽和供电模块，导致系统复杂且存在安全隐患（如热损伤风险）。部分技术需在MRI采集窗口（梯度稳定时）同步记录EEG，依赖精确时序控制和脉冲序列先验知识，实现困难等。

WISDEM（一种用于同步 EEG 和 MRI 的混合无线集成传感探测器）探测器通过将 fMRI 和 EEG 信号编码在其振荡波的不同边带，由标准 MRI 控制台在整个 fMRI 序列期间检测，再经频解调后的低通和高通滤波分别提取局部场电位（LFP）和 fMRI 图谱；

应用示例

大鼠前爪电刺激 BOLD 信号获取实验：

Fig1 实验装置的实物图

包含表面线圈、WISDEM 探测器、环形天线以及大鼠固定器等组件，展示了实验中各设备的实际布置情况，用于在大鼠身上开展同步脑电与磁共振成像相关实验。

实验步骤

大鼠左前爪施加电刺激（0.33 ms 双相脉冲，2 mA，5 Hz，持续 4 s，休息 11 s，共 8 个 epoch），WISDEM 泵浦功率调至振荡阈值以下 1 dBm，获取 EPI 图像；图像与 SIGMA 脑图谱对齐，计算每个像素时间信号强度与理想刺激函数的相关系数。

结果：在初级体感皮层前爪区（S1FP）观察到与刺激周期（15 s）一致的 BOLD 调制模式，刺激期间 MR 信号强度最高增加 1.5%，与传统表面线圈结果一致。

Fig2-1 WISDEM获取的大鼠脑部血氧水平依赖（BOLD）信号的成像结果

左侧是脑部不同视角（冠状面、侧面等）的 BOLD 信号分布，右侧是多层面的脑部切片成像，颜色代表 BOLD 信号的变化百分比，黄色等亮色区域表示 BOLD 信号增强，反映了受刺激后脑部相关区域的神经血管活动。

Fig2-2 局部放大图

左侧是特定脑部切片（对应Fig2-1中黄色虚线框区域）的成像放大图，右侧是 BOLD 信号（红色曲线）随时间的变化与刺激（浅橙色曲线）的对应关系。BOLD 信号的波动与刺激周期相呼应，进一步验证了 WISDEM 能够有效同步检测电刺激下大鼠脑部的 BOLD 信号变化，体现了其在神经血管耦合研究中的作用。

其他应用

睡眠过程中大脑存在多阶段动态变化（如慢波睡眠、快速眼动睡眠），传统同步 EEG-fMRI 因有线连接限制，难以实现动物长期无束缚监测，或人类睡眠中头部活动导致的信号干扰。

WISDEM 的无线特性可支持自由活动动物（如小鼠、果蝇）的长时程睡眠监测，同步记录睡眠各阶段的 EEG（如 δ 波、纺锤波）与 fMRI（如默认模式网络、感觉皮层激活），揭示睡眠中神经电活动与血流动力学的耦合规律。

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总结

在转染 ChR2 的 SD大鼠光遗传学刺激体感皮层实验中，证实诱发 LFP 与 fMRI 信号呈正相关，验证了强神经血管耦合，解决了传统同步 EEG - fMRI 中有线连接易受干扰、需额外同步设备等问题，为跨尺度脑映射提供了二合一换能器。在多种实验中展现出可靠性能，如在大鼠前爪电刺激和光遗传学刺激实验中分别成功获取 BOLD 信号、同步 LFP 与 fMRI 信号，其信噪比虽低于有线线圈但满足需求，还具备无线供电、体积小、无需额外记录设备等优势。

在临床前研究方面，一个应用是将WISDEM与光度测量法以及基于光纤的光遗传学相结合，以便在光遗传学刺激期间同时进行荧光钙记录和电生理学研究。在临床领域，这种二合一的无线探测器可以为已经植入电极的癫痫患者带来益处，它有助于实现同步成像，从而更好地定位病灶，提高诊断精度并优化治疗策略。

文献引用：

1. Chen, Y., Qian, W., Razansky, D. et al. WISDEM: a hybrid wireless integrated sensing detector for simultaneous EEG and MRI. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-025-02798-w

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