Nat Biom Eng | 南方科技大學劉泉影/顧東風團隊實現高精度無創全腦動態成像

腦電和腦磁圖是唯一能以毫秒級時間分辨率無創記錄全腦活動的技術，但其空間定位能力長期受困于“逆問題”——即同樣的頭皮信號可對應無數種腦內源分布。傳統求解方法往往采用過于簡化的數學假設，導致重建的腦活動空間模糊、生物學意義不清，限制了腦科學基礎研究與癲癇等腦疾病術前定位的臨床應用。

2026年4月27日，南方科技大學生物醫學工程系劉泉影/顧東風教授、復旦大學陳亮團隊在《自然·生物醫學工程》上發表題為《幾何感知框架增強全人腦動力學的無創映射》的研究論文。該研究提出一種名為幾何基函數（GBF）的全新腦電源成像方法，通過將每個個體獨有的皮質幾何結構直接嵌入逆問題求解，顯著提升了無創腦電圖/腦磁圖源定位的精度與生物學可解釋性。

研究團隊首先從個體結構磁共振圖像中重建出精細的皮質表面網格，并求解拉普拉斯-貝爾特萊米特征方程，得到一組正交的幾何基函數。這些基函數從低頻光滑模式到高頻精細模式，恰好構成了描述腦活動的高效“幾何詞典”。GBF方法假設任意時刻的皮質源活動均可表示為這些幾何模式的線性組合，從而將原本自由度過高的逆問題約束在個體天然的解剖流形上。為系統驗證該方法，團隊構建了首個基于元分析功能磁共振激活圖譜的“元源基準”：利用NeuroVault和NeuroSynth數據庫中的數萬幅統計腦圖，聚類生成200個具有明確認知標簽的分布式源模式，并正向模擬出相應腦電信號。在多種噪聲條件下，GBF在所有五項定量指標（歸一化均方根誤差、定位誤差、皮爾遜相關、余弦相似度、ROC曲線下面積）上均顯著優于最小范數估計、加權最小范數、sLORETA、eLORETA、dSPM等傳統方法，尤其在真實噪聲環境下優勢更為突出。區域誤差分析顯示，GBF在95%的皮質腦區中均達到最低誤差，僅深部/腹側區域因體積傳導物理限制殘留少量偏差。

在真實實驗數據中，GBF同樣展現出卓越性能。對于視覺、聽覺、體感和運動任務的誘發腦電，GBF重建的激活圖譜與基于數千篇文獻的元分析金標準高度吻合：視覺任務精確定位初級視覺皮層，聽覺任務鎖定雙側聽覺皮層，右手正中神經刺激激發對側軀體感覺皮層，右手手指敲擊任務則清晰顯示左側運動皮層的周期性調制。相比之下，傳統方法的空間圖譜往往過度彌散或出現虛假雙側激活。在靜息態腦磁圖數據中，GBF重建的全腦功能連接與顱內腦電直接記錄的“虛擬顱內腦電連接組”在θ、α、β和低γ頻段顯著相關，在β頻段達到最高一致，并成功復現了枕葉、頂葉、額葉、顳葉的腦區特異性連接格局。針對顱內電刺激同步高密度腦電數據，GBF能以毫米級精度定位實際的刺激電極位置——在318個刺激間期統計分析中，GBF的定位誤差顯著小于其他四種方法，且對不同刺激深度均表現穩健。更重要的是，GBF首次無創地捕捉到了刺激誘發的皮層波傳播過程：利用光流分析技術，在刺激后數十毫秒內即可追蹤到從刺激點向三個功能網絡（感覺運動、前額葉、背側注意）的快速定向傳播，隨后在更晚時間窗出現更廣泛、更緩慢的波前擴散模式，這與侵入性皮層-皮層誘發電位研究結果高度一致。在臨床應用方面，研究納入了24例術后預后良好的癲癇患者，以手術切除灶為金標準，評估不同方法基于發作間期棘波定位致癇區的能力。GBF定位的峰值頂點距切除邊界的距離最小，且顯著優于最小范數估計；在兩位高密度腦電癲癇患者中，GBF的早期激活模式與臨床專家標注的發作起始區吻合。以上結果共同表明，將個體皮質幾何作為生物學先驗嵌入源成像，能夠大幅提升無創全腦電生理動力學的重建精度，為理解腦波傳播規律、優化癲癇術前評估提供了全新工具。

READING

BioPeers

歡迎關注本公眾號，所有內容歡迎點贊，推薦??，評論，轉發~

如有錯誤、遺漏、侵權或商務合作請私信小編~~

歡迎大家投稿課題組 研究進展 、招聘及招生宣傳~

所有文章只為科普、科研服務，無商業目的~