脑电(EEG)和功能磁共振(fMRI)作为神经信息研究常用的无创技术,能够在宏观水平探测大脑神经活动,在认知神经科学、神经精神类疾病以及心理学研究中已得到广泛应用。将EEG和fMRI信号进行结合能够利用这两种技术的互补性,挖掘大脑时空信息,为理解神经活动的起源及调制提供了可行性。本文基于同步EEG和fMRI数据,发展EEG-fMRI网络融合方法,探索大脑中神经震荡与BOLD信号的关系,进一步挖掘与癫痫活动有关的节律特征和空间模式,并提出具有特色的癫痫放电和调制模型假设。本文主要研究内容包括以下五个部分:第一部分,从EEG全局的时空指标以及参考电极的基础问题出发,进行基于质心的EEG时空特征和MRI空间模式的融合研究。提出EEG质心偏侧性和质心行进速度的定量EEG指标,并揭示了静息态不同节律震荡和任务态P300的质心轨迹和时空模式。进一步通过同步EEG和MRI融合,探索了静息态下EEG节律的质心行进与大脑固有网络以及大脑白质纤维的关系。结果发现,静息态下不同节律和P300的质心行进具有特异性的时空模式。而且,EEG节律质心的行进偏侧性能够被特定的大脑固有网络解释,质心行进速度与胼胝体、放射冠等白质纤维存在关联。本章通过EEG质心与MRI融合对大脑时空模式进行探索,证明了EEG时空模式是大脑皮层和皮层下结构特征和功能组织的有效表征,有助于理解大脑在认知过程中的信息处理与资源配置,并为后面的癫痫应用分析提供了研究基础。第二部分,发展EEG-fMRI网络融合方法,探索青少年肌阵挛癫痫中EEG网络变异性相关的fMRI活动。进一步,提出EEG-fMRI调制交互模型来考察依赖于EEG网络动态变化的癫痫活动脑区之间的耦合关系。这种调制交互模型有利于探测EEG表征对fMRI空间连接的贡献。结果显示,通过EEG网络在时间上的高变异性对癫痫活动进行预测具有有效性,而且丘脑、前额叶、感觉运动区域和小脑之间的功能耦合依赖于动态的EEG组织,它们之间的有向环路可能是癫痫起源和传播的重要表征。本研究拓展了传统的EEG-fMRI融合框架,阐明了癫痫大脑中关键的丘脑皮层和皮层-皮层环路,并为临床癫痫活动定位提供了潜在的新方法。第三部分,进一步,通过EEG-fMRI调制交互分析考察癫痫大脑中EEG节律网络依赖的丘脑皮层耦合。本部分聚焦丘脑与额叶相关的皮层网络连接对EEG网络动态的节律依赖性,并分析了这种节律依赖的网络连接在不同的癫痫患者中的特异性改变。结果显示,丘脑到默认模式网络、感觉运动网络和额顶网络的耦合具有不同的节律依赖性。青少年肌阵挛癫痫和额叶癫痫表现出了特异的丘脑皮层失耦合模式,而且这种节律依赖的失耦合与皮层-皮层网络连接有关系。这种调制分析有助于建立癫痫环路与皮层震荡的关系,阐释了全面性癫痫中丘脑到默认模式网络和感觉运动网络失耦合对alpha节律的依赖。第四部分,从时间和空间两个维度刻画癫痫大脑中自发的alpha节律与BOLD信号的一致性改变。在时间维度上,提出时间表征一致性方法考察了alpha节律与局部BOLD活动的时间动态的共变模式,并分析了alpha的能量动态对全脑功能连接强度的影响;在空间维度上,构建了癫痫放电时期的同步网络,并揭示了alpha节律的网络完整性与癫痫放电环路关键节点的网络连接特性的关系。结果显示,癫痫大脑中alpha能量对丘脑、尾状核、前额叶等区域的局部动态和功能连接具有时间上的调节作用。另外,癫痫放电同步网络中的关键节点(楔前叶、丘脑)的超连接与降低的alpha网络完整性具有一致性的改变。这些结果阐明了癫痫放电不同阶段的网络模式,而且丘脑和默认模式网络可能是alpha节律调节癫痫活动和空间超连接状态的关键节点。第五部分,考察癫痫皮层下-皮层环路异常网络连接之间的因果关系,并汇总前几部分的结果提出基于EEG-fMRI的癫痫放电和调制模型假设。模型假设从网络连接的角度阐释了整个放电阶段大脑环路的改变,包括放电前大脑皮层的局部区域超连接的触发,放电过程中丘脑皮层和皮层-皮层连接的改变,以及放电后感觉运动区域的超连接现象,并提出潜在的两条癫痫调制通路。本研究提出的癫痫放电和调制模型假设首次将EEG节律震荡的改变和调制作用纳入,为癫痫放电的病理机制提出了新的见解。综上所述,本研究基于EEG节律特征和fMRI时空信息进行融合分析,旨在探究与异常的神经震荡有关的癫痫大脑的神经病理机制。本研究的内容从EEG和MRI融合的基础着手,然后根据癫痫的病理特点进行融合方法的拓展,层层递进,逐步细化,最后汇总成为癫痫放电和调制模型假设。此模型假设从网络连接的角度对癫痫放电起源、癫痫放电过程、癫痫放电调制进行阐释,并将对不同节律的神经震荡的依赖纳入模型中。此研究结果能够增加我们对癫痫病理机制的理解,并对癫痫临床干预有重要的科学意义。