WISDEM：一种无线集成传感探测器实现同步脑电图与磁共振成像的突破性技术

本研究针对同步脑电图(EEG)与功能磁共振成像(fMRI)信号采集中的技术瓶颈，开发了一种无线集成传感探测器(WISDEM)。该创新设备通过将EEG和fMRI信号编码在振荡波的不同边带上，解决了传统有线连接在MRI环境中易受干扰的难题。实验证明，WISDEM能准确捕捉光遗传刺激下大鼠体感皮层的局部场电位(LFP)与BOLD信号，验证了神经血管耦合机制。这一技术为研究跨尺度脑功能连接提供了全新工具，发表于《Nature Methods》。

在探索大脑奥秘的征程中，科学家们一直渴望能同时捕捉神经元的电活动与全脑的血流动力学变化。这种跨尺度观测对于理解阿尔茨海默病、癫痫等神经系统疾病的发病机制至关重要。然而，传统同步脑电图(EEG)和功能磁共振成像(fMRI)技术面临严峻挑战：MRI扫描仪产生的强磁场会严重干扰EEG信号，而有线连接又容易引入环境噪声。尽管已有多种降噪方法，但基线漂移问题始终困扰着研究人员，就像试图在飓风中聆听蝴蝶振翅般困难。

这项发表于《Nature Methods》的研究带来了破局之道。Yi Chen、Wei Qian等研究者开发的无线集成传感探测器(WISDEM)巧妙地将EEG和fMRI信号分别编码在振荡波的不同边带上。这种设计犹如为两种信号开辟了互不干扰的"双车道"，通过标准MRI控制台即可全程监测。关键技术包括：1）参数谐振器(PR)与电压传感谐振器(VSR)的协同设计；2）无线功率传输实现^39,000倍品质因数提升；3）频率调制编码技术同时处理kHz级EEG与MHz级MRI信号。实验使用10只Sprague Dawley大鼠，通过电刺激前爪和光遗传学激活体感皮层验证系统性能。

操作原理与电路制备

研究团队设计的参数谐振器(PR)具有两种共振模式：300.2 MHz的蝶形模式(ω_br)和374.8 MHz的环形模式(ω_cr)。当外部泵浦信号频率为两者之和(675.0 MHz)时，系统产生持续振荡。关键的创新在于电压传感谐振器(VSR)采用"8字形"导体设计，仅通过两个焊接点连接双极结型晶体管(BJT)，将电压灵敏度提升至5.5 kHz/mV。

低频电压信号获取

通过向传感电极注入20Hz正弦波模拟神经信号，研究者成功重建输入波形(图2c)。系统展现出优异的线性响应，输入电压峰值与重建信号相关系数达0.99，证明其捕捉微弱电生理信号的可靠性。

高频MR信号获取

在1%琼脂糖phantom实验中，WISDEM展现出相当于有线连接线圈60%的信噪比(SNR=135)。这种性能折损源于非正交检测设计，但通过将探测器贴近目标区域可部分弥补灵敏度损失。

前爪刺激下的BOLD信号

电刺激大鼠左前爪(2mA，5Hz)诱发体感皮层(SIFP)区域BOLD信号变化，激活模式与既往研究一致。信号强度在4秒刺激期内产生1.5%调制，验证了设备的fMRI检测能力(图4)。

同步获取BOLD与LFP信号

通过AAV5-CaMKII.hChR2转染大鼠体感皮层，研究者首次实现光遗传刺激下LFP-fMRI同步记录。随着激光功率从0.39mW增至2.83mW，LFP负峰潜伏期从12ms缩短至8ms，振幅增加3倍(图5d,e)。更重要的是，fMRI信号变化与LFP峰高度显著相关(r=0.91)，为神经血管耦合理论提供了直接证据。

这项研究的突破性在于：1）首次实现完全无线的EEG-fMRI同步采集；2）克服了梯度切换期的信号丢失问题；3）仅需数毫瓦无线功率即可工作。相比需要梯度传感器和微控制器的传统无线设备，WISDEM的紧凑设计(直径13.5mm)更适合介入式应用。虽然目前SNR仅为有线系统的60%，但通过正交频率调制编码和阵列化设计有望进一步提升性能。

在临床转化方面，这项技术为癫痫病灶定位提供了新思路，未来可整合光遗传学与钙成像技术，实现"电-血-钙"三位一体的脑功能观测。正如研究者所言，WISDEM这个"二合一"探测器，为揭开脑功能跨尺度联系的奥秘打开了一扇新窗。