consciousness-research / docs/studies/03-prios/PRIOS完整方法学与结果报告

RPT-001 · 报告 · 已修订 · 2026-09-01

PRIOS 干预式因果回响分析：完整方法学与结果报告

日期：2026-09-01 数据：OpenNeuro ds004370（PRIOS），CC0 状态：分析已完成，判定「不确认、不证伪、功效不足」，样本量是唯一瓶颈 用途：本文档整合此前分散在四份工作文档中的内容（方法学诊断、预注册、闸门标定、 判决结果），作为可直接用于同行评审或作为回信附件的单一权威版本。原始四份文档 （方法学诊断_条件TE在慢波信号上失效.md、预注册_PRIOS干预式CE分析方案.md、 PRIOS闸门与标定结果.md、PRIOS判决结果.md）保留作为过程记录，本文档不替代、只整合。

摘要

我们检验「递归因果结构随意识状态改变」这一假设的一个可操作化版本：在同一被试身上， 用颅内单脉冲电刺激（SPES）诱发皮层-皮层反应（CCEP），构建有向因果图，用「落在有界 长度有向环上的显著边占比」（CE）衡量递归程度，比较清醒与丙泊酚镇静两态。

在正式分析这批数据前，我们在头皮脑电数据（ds005620）上验证过一个基于条件转移熵的 替代方案，发现该方案存在两个原理性缺陷（慢波信号使残差方差趋零、二值 CE 在现实图 密度下退化为密度的函数），因此改用颅内电刺激这一干预式范式，从根本上绕开这两个问题。

在 PRIOS 数据集（7 被试，颅内电极，SPES）上，6 名被试通过全部有效性闸门。预注册主 检验（密度匹配阈值 d*=0.05，双侧 Wilcoxon 符号秩）显示：5/6 被试方向一致（清醒 CE 回响 > 麻醉），p=0.0625，未达显著性。跨 6 个密度阈值的稳健性检验显示组均值方向恒定 为正，但个体层面有 3/6 被试至少变号一次，说明当前样本量下单被试测量对噪声高度敏感。 判定为「不确认、不证伪、功效不足」——预注册所记录的功效分析已预见了这一结果。

2026-09-02 重要更新：事后发现两处实现与预注册不符—— ① 零模型允许「从未被刺激过的电极」发出边而观测图不允许； ② 节点集用了全部共同通道，而预注册 §2 规定的是双角色电极。 两处均已按预注册改正并用全部六名被试重跑。 总判定不变（主检验 p 由 0.0625 经 0.0938 变为 0.2188，仍不显著； 三个版本 × 6 个密度共 18 个组均值全部为正）。 §6.4 的逐条件结论方向整个反转，原「麻醉态显著更不递归」已撤回。 详见 缺陷报告_零模型源限制_2026-09-02.md 与 决定_节点集与密度规则_2026-09-02.md。

1. 理论构念

被检验的理论主张（源自意识海 / Pansoph 框架 §2.3）是：终端聚焦要求「递归因果闭合」 与「自证马尔可夫毯」联合满足，且递归本身（而非单纯的整合信息量 Φ）是关键——整合信息 不区分递归回路与前馈通路，本框架的主张是这个区分才是重点。这与整合信息论（IIT）的 Φ 度量形成对照：Φ 度量整合，不度量递归。

要检验这个主张，需要一个能把「递归回路」与「前馈整合」分离开的可计算量。

2. 为何放弃相关式指标（条件转移熵），改用干预式范式

第一轮尝试（头皮脑电，ds005620，19 导，条件转移熵）在真实数据上暴露出两个原理性 问题，均带对照验证：

  1. 慢波信号导致条件 TE 的分母趋零：TE = 0.5·log(RSS_受限/RSS_全模型)， 信号近乎确定性时全模型 RSS→0，任何微小残余结构都被判显著。仿真显示只改驱动噪声 的谱形（耦合矩阵逐位不变）就能让显著边从 10 条炸到 90 条（90 个有序对全中）。 这不是我们的新发现——Barrett 等（2012, PLoS ONE）、Sleigh 等（2023, Anesthesiology） 均报告过丙泊酚下常规 Granger 因果出现同向的反直觉结果，Sleigh 等明确报告 96% 的 窗口通不过残差自相关检验。预白化（Dean & Dunsmuir 2015 的标准做法）在仿真上有效， 但在真实数据上完全失效（边数不降反升）。

  2. 二值 CE 在现实图密度下退化为密度的函数，与递归结构无关：纯图论标定（DAG 对照 恒为 0）显示，19 节点的随机有向图密度一旦超过 0.23，环上边占比就饱和到 ≥0.95。 真实测量密度落在 0.42–0.97，全部处于饱和区。这与网络神经科学的既有共识一致 （图指标必须对照密度匹配的零模型，Rubinov & Sporns 2010），是我们在初版预注册时 未把这个标准做法写进去。加权版 ce_mass 不饱和，但相对「保留权重多重集、只打乱 边位置」的正确零模型没有可检出的超出——相位随机化后的数据超出量反而更大，说明 在该密度和该被试数下，这套指标测不到真实结构。

结论：问题不是数据脏，是「用相关/可预测性推断因果连接」这条路径，在头皮脑电的 容积传导和现实图密度下原理性地立不住。

改用干预式范式：单脉冲电刺激直接刺激电极 A、观测电极 B 是否被诱发出反应，因果边 由真实干预确定，不依赖「B 的未来能否被 A 的历史预测」这一统计推断。颅内记录也没有 头皮脑电的容积传导问题。这从根上绕开了上述两个失效模式。

3. 数据

OpenNeuro ds004370（PRIOS），Utrecht 大学医学中心，CC0 许可，7 名难治性癫痫 术前评估患者，每人在清醒（SPESclin）和丙泊酚全麻（SPESprop）两态下各接受一轮 单脉冲电刺激，颅内 ECoG 电极记录。

4. 方法

4.1 节点与边的定义

节点 = 既被刺激过、又被记录且标记为 good 的电极（双角色电极）。边 A→B ⟺ 存在一次 「刺激含 A 的电极对」在 B 上诱发出显著 N1（10–100 ms 窗内的诱发反应）。刺激对的两个 电极都计为源（EDGE_FROM_BOTH=True）。

4.2 N1 检测阈值标定

检测阈值（z 分数与绝对幅度下限）不由研究者主观指定，而是用清醒态数据的无刺激窗口 （刺激前 −590~−300 ms）扫描，取「假阳性率 ≤2%」约束下真实检出率最高的组合：

z 阈值 幅度阈(µV) 真实检出率 无刺激窗检出率 比值
2.6 0 0.791 0.083 9.5
3.0 0 0.723 0.027 26.7
3.4 0 0.651 0.010 62.5 ← 选定
4.0 0 0.567 0.003 163.2

选定 z=3.4，无绝对幅度下限。信号单位经核对属正常颅内脑电量级（绝对值中位 57.8 µV）。

检出的是真实突触反应，非伪迹或被动扩散：938 条检出边的峰值潜伏期中位 38.6 ms， 94.4% 落在 ≥20 ms，仅 2.1% 贴在刺激伪迹屏蔽窗边缘（10–15 ms）；检出率随距离从 88.9%（3–20 mm）降到 53.4%（53–92 mm），衰减但不塌陷，说明远距离反应真实存在。

4.3 密度匹配阈值化

标定过程中发现：清醒态整体检出率高达 65.1%，远超 42 节点图的 CE 饱和阈值 （0.095，见 §4.5）。这不是检测器太松——上述潜伏期与距离诊断已确认是真实反应；是 局部 ECoG 网格上直接电刺激确实几乎处处诱发反应，皮层在这个空间尺度的有效连接图 本来就是稠密的。把 z 阈值提到 6.0，检出率仍有 33.8%，压不下来。

因此改用密度匹配阈值化：不再用「显著性」定边集，而是每个条件各取 |N1| 幅度最大 的前 d*·M 条边（M=n(n−1)，d 为事先固定的目标密度），两条件用同一个 d。主分析 d*=0.05（42 节点时随机图 CE 基线仅 0.091，留有充分区分空间）；敏感性分析覆盖 d* ∈ {0.02, 0.03, 0.04, 0.06, 0.08}。

这同时消掉三个混杂：① 脱离 CE 饱和区；② 两条件密度强制相等，组间差不可能由边数差 造成；③ 试次数少导致的弱边丢失被同等的取前 N 操作吸收。

4.4 指标与零模型

4.5 事前闸门（预注册，任一不过则相应部分判为不可检验）

闸门 内容 判据 结果
⑥ N1 阈值标定 无刺激窗假阳性率 ≤2% z=3.4（见 §4.2）
① 阴性对照（无刺激窗） 检出边数 <25% 全部被试 <5%（详见结果表）
② 试次打乱对照 边数 <60% 通过
③ 距离阳性对照 近端检出率 > 远端 89% > 53%
⑤ CE 密度饱和 同密度随机图 CE <0.95 42 节点阈值 0.095，主分析 d*=0.05 留有余量
1 试次数功效 降采样召回 ≥0.7 的最小试次数 3 次（召回 0.733），确定 MIN_TRIALS=3
2 试次数匹配 两条件逐对取 min 试次数 已在管道中强制执行
3 被试纳入 匹配电极对 ≥10 6/7 通过，PRIOS06（5 对）排除

CE 密度饱和阈值随节点数下降（≈ 强连通临界密度 ln(n)/n）：19 节点 0.200，30 节点 0.125，42 节点（PRIOS01）0.095，66 节点（PRIOS02 麻醉）0.060。

5. 预注册纪律

假设方向、主指标、证伪条件均在看到任何两组对比结果之前写定（预注册_PRIOS干预式CE 分析方案.md，2026-08-29）。分析过程中出现过一次主指标调整：最初按图论标定预期二值 CE 会在 PRIOS 上饱和，一度将主指标改为 ce_mass_excess；随后密度匹配阈值化的效果 经清醒态单条件标定验证后，在看到任何两组对比结果之前将主指标改回 CE_excess， ce_mass_excess 降为并列报告项。该修正的合法性在于它只依赖已确定的密度匹配数据， 未使用本次的条件对比数字。

证伪条件：CE_excess 双侧 Wilcoxon p≥0.05 → H1 不成立；麻醉显著更高 → H1 被 反向证伪；任一条件组水平均值不显著偏离 0 → 须报告「不支持存在可检出的递归结构」， 不得只报组间差。

6. 结果

6.1 样本

7 名被试中 6 名通过全部闸门：PRIOS01/02/03/04/05/09。PRIOS06 按事前清点预测排除 （仅 5 个匹配电极对）。

6.2 主检验（d*=0.05）

被试 清醒 CE_excess 麻醉 CE_excess 差值
PRIOS01 +0.032 −0.177 +0.209
PRIOS02 −0.147 −0.415 +0.268
PRIOS03 −0.380 −0.435 +0.055
PRIOS04 −0.385 −0.678 +0.294
PRIOS05 −0.382 −0.756 +0.374
PRIOS09 +0.051 +0.088 −0.037

5/6 同向（清醒 > 麻醉），均值差 +0.194，Wilcoxon W=1.0，双侧 p=0.0625——按预注册 硬阈值判定为不显著（未因「接近 0.05」破例）。

2026-09-02 更新（两轮修正后的最终数字）：

版本 同向 均值差 W 双侧 p
原报告（全通道节点，零模型有缺陷） 5/6 +0.194 1 0.0625
修正零模型（仍用全通道节点） 5/6 +0.159 2 0.0938
按预注册 §2 改为双角色节点（最终） 4/6 +0.130 4 0.2188

判定不变，仍为不显著。每一次修正都是向预注册规格靠近，不是向好看靠近。 详见 缺陷报告_零模型源限制_2026-09-02.md §5c–5d 与 决定_节点集与密度规则_2026-09-02.md。

6.3 稳健性：跨密度方向恒定，个体层面不稳

d* 同向 均值差 双侧 p 修正后同向 修正后均值差 修正后 p
0.02 6/6 +0.152 0.0312（显著） 6/6 +0.130 0.0312（显著）
0.03 4/6 +0.127 0.1562 5/6 +0.114 0.0625
0.04 5/6 +0.139 0.0938 6/6 +0.122 0.0312（显著）
0.05（主分析） 5/6 +0.194 0.0625 5/6 +0.159 0.0938
0.06 6/6 +0.169 0.0312（显著） 5/6 +0.095 0.0625
0.08 4/6 +0.103 0.1562 4/6 +0.021 0.8438

上表「修正后」三列是修正零模型、仍用全通道节点的中间版本。 按预注册改为双角色节点后的最终版：

d* 同向 均值差 双侧 p
0.02 6/6 +0.203 0.0312（显著）
0.03 5/6 +0.106 0.1562
0.04 5/6 +0.135 0.1562
0.05（主分析） 4/6 +0.130 0.2188
0.06 6/6 +0.174 0.0312（显著）
0.08 4/6 +0.118 0.2188

三个版本、六个密度，共 18 个组合，组均值全部为正，预注册「方向不得改变」的要求始终满足。 显著的密度档三个版本各不相同（{0.02,0.06} → {0.02,0.04} → {0.02,0.06}）—— 哪一档显著本来就不稳，这一点旧版报告已经写明，修正没有改善它，也不该指望它改善。

组均值在全部 6 个密度上都为正，满足预注册「方向不得改变」的要求。但显著性在 2 显著 /4 不显著间跳动，原因是仅 3/6 被试（PRIOS02/03/04）在全部密度上方向恒定，其余三人 （01/05/09）都至少变号一次——n=6 时任何一个被试因噪声跨过零点，p 值就可能从 0.03 翻倍到 0.16 以上，这是样本量而非效应量的问题。

6.4 每个条件单独是否检出可分辨零模型的回响

⚠️ 本节结论已于 2026-09-02 撤回并重跑，方向整个反了

重跑结果（d*=0.05）：

条件 旧（本节下表） 修正零模型 双角色节点（预注册规定，最终）
清醒 −0.202 +0.088 +0.106，6/6 为正，p=0.031
麻醉 −0.396（显著为负） −0.071 −0.024，2/6 为正，p=0.84

清醒态正向超出的稳健性有所改善但仍有限：双角色节点集下在 5/6 个密度为正、 3 个密度（0.02、0.03、0.05）上 6/6 被试同号；d*≥0.06 时消失。 n=6 时六人同号的双侧 p 天花板就是 0.031，所以那些 p 只等价于「六个人方向一致」， 不是强证据。麻醉态在任何密度下都与零无法区分。不要拿这一节去下任何结论。

主检验（§6.2）随两轮修正走弱：p 从 0.0625 → 0.0938 → 0.2188。 方向在全部 18 个「版本 × 密度」组合里始终为正。 总判决不变，仍是「不确认，不证伪，功效不足」——且比之前更清楚地是功效不足。

以下是被撤回的原始内容与撤回理由。

发现零模型设定有缺陷：它允许「从未被刺激过的电极」发出边，而观测图不允许。 一个没有出边的节点不可能落在环上，所以零模型的环占比被系统性抬高， CE_excess 被系统性压低——压多少取决于「被刺激电极占节点数的比例」。

证据：本项目自己存的结果里 corr(源占比, 清醒 CE_excess) = +0.908； 而一个完全没有真实结构的纯随机图，在同一零模型下能凭空产出 −0.11 到 −0.44 的「超出量」，形状和量级都与下表吻合。

所以下表的负值很可能整个是设定错误的产物，不是关于递归结构的发现。

不受影响的是 §6.2 的主检验（p=0.0625）——两条件用同一电极交集与同一组 匹配刺激对，源集合逐位匹配，偏差在做差时相消。

完整分析、复现脚本与修法见 缺陷报告_零模型源限制_2026-09-02.md 与 零模型源限制偏差检验.py。旧结果 prios_results_旧零模型_2026-08-29.json 已归档于 git 历史（pre-migration tag），不在当前工作树。

条件 CE_excess 均值 95% CI p
清醒 −0.202 [−0.422, +0.018] 0.065（不显著）
麻醉 −0.396 [−0.725, −0.066] 0.027（显著为负）

~~两个条件都没有显著的正向超出——本方法在本数据上，未在任一意识状态下检出「比 随机图更递归」的结构；麻醉态甚至显著地比随机图更不递归（更接近前馈/树状）。这意味着 组间差值可能只是「两者都比随机更不递归，其中一个没那么不递归」，而非「一态存在回响、 另一态不存在」。~~（以上论述随本节结论一并撤回。）

6.5 并列指标 ce_mass_excess

d* 同向 均值差 双侧 p
0.02 5/6 +0.053 0.0938
0.03 6/6 +0.061 0.0312（显著）
0.04 5/6 +0.069 0.0938
0.05（对应主分析） 5/6 +0.084 0.0938
0.06 4/6 +0.081 0.1562
0.08 3/6 +0.071 0.4375

d*=0.05 下每条件单独对零模型：清醒 −0.003（p=0.93），麻醉 −0.087（p=0.17），二者 均不显著偏离 0——比二值 CE 的结果更接近「测不出」而非「测出负的」。模式与主指标 一致（方向多数为正、显著性不稳、密度升高时连方向都开始散），两个指标互相印证。

7. 判定

不确认，不证伪，功效不足。

2026-09-02 两轮修正后复核：本判定不变。 最终版（预注册规定的双角色节点集）主检验 p=0.2188（仍 >0.05）， 6 个密度的组均值仍全部为正。三条判据逐条重新核对，结论一字未改。

修正带来的唯一实质变化在 §6.4：清醒态由「无正向超出」变为 「有正向超出（+0.106，6/6 为正）」，麻醉态由「显著为负」变为「与零无法区分」。 原「麻醉态显著地比随机图更不递归」是缺陷产物，已撤回。 新结果在 5/6 个密度为正，但 n=6 的 p 天花板只等价于「六人同号」，不能据以下结论。

预注册 §6 第 5 条事先写明「n=6–7 极小，任何阴性结果都可能是功效不足，不得表述为已 证否」——这一预见在结果中应验。

8. 局限性（预注册事先列明）

  1. 麻醉侧刺激试次数系统性少于清醒（已用闸门 2 的强制匹配处理）
  2. 所有被试为癫痫术前评估患者，病灶区连接可能异常，电极覆盖由临床需要决定、非随机 采样，结果外推到全脑或非病理人群需谨慎
  3. 麻醉深度未量化（仅记录「术中丙泊酚麻醉」，无浓度或 BIS 值）——本分析检验的是 「有无麻醉」，不是剂量-效应关系
  4. n=6，任何单一密度阈值下的显著/不显著判定对个别被试的测量噪声高度敏感

9. 已发现并修复的实现陷阱

工程实现过程中发现并修复了以下问题，记录以避免重复：

  1. trial_type == "stimulation" 不是伪迹标注，是横跨整个 SPES 流程的会话级 标记（PRIOS01 清醒 run 覆盖 200–2321 秒）。误当坏区间处理会导致整个会话被排除、 一个试次都取不出来，症状是「检出 0 条边」，极易被误读为「无因果连接」
  2. 续传下载对已完整的小文件不能用 -r <size>-：S3 会返回 InvalidRange 的 XML 错误正文，若不校验会被原样追加进文件末尾，静默损坏元数据
  3. 邻接矩阵索引方向：算法内部约定 A[源, 目标]，若自建真值矩阵按 A[目标, 源] 核对，召回率会显示为 0——这是被反向对照本身抓出来的，而非事先设计发现
  4. 零模型构造：均匀权重与重尾权重的随机零模型会让超出量的符号翻转，唯一站得住 的零模型是「保留实测权重多重集、只打乱边的空间位置」

10. 下一步

方法本身站得住——全部闸门通过，检出的是真实突触反应，不是伪迹或容积传导混合。 唯一瓶颈是样本量。当前正在推进两条获取更大样本的路径：

  1. MNI Open iEEG Atlas（清醒 n=106、睡眠 n=91，含 wake/N2/N3/REM 多状态，同步 多通道记录）——账号申请已提交，等待人工审核
  2. 联系 wsgzp 数据集（Parmigiani et al. 2022）的原作者，询问 Comolatti et al. (2025) 论文中提及的 13 人 NREM 睡眠颅内数据是否存在公开或可申请获取的版本—— 已发出询问邮件，等待回复

若两条路径均无法在合理时间内取得更大样本，下一步应考虑：① 寻找其他公开的 SPES/CCEP 数据集以合并样本；② 优化对密度阈值本身的敏感性（当前方法对 d* 的选择 仍有一定依赖，见 §6.3），这是与样本量并行、独立值得推进的方法学改进方向。