正常阵发性脑电事件相关信号特征分析

正常阵发性脑电事件相关信号特征分析

从神经人类学和神经动力学的角度来看，人们对大脑的微观结构和机制有了深刻的理解，但对大脑高级思维活动的理解仍然有限。例如，在认知过程中，大脑电生理变化的电生理变化的理解是有限的。传统的脑电图（eg）只记录和分析30hz以下的脑电图，并对理解大鼠认知活动过程中的脑电图变化规律没有影响。Sheer(1985)等首先发现40Hz脑电活动与人的思维、记忆过程和注意程度等认知功能有密切联系,短程、非周期性、窄带(36~44Hz)、阵发性40Hz脑电事件相关信号可能是反映注意状态的可靠标志,阵发性40HzERP反映了集中唤起的水平,在对事物的认知综合中起着关键的作用,某些参数可以作为判断认知障碍和注意障碍的重要指标,因而在认知科学和心理学领域中40HzERP的研究有可能成为一个突破性的窗口。目前国内外多数研究存在以下问题:只描记分析单导脑电信号,选择数据段的标准差异较大,选择的参数不同,选择认知任务的类型、难度和数量各不相同等,为了更好地了解正常人阵发性40HzERP与大脑认知活动之间的相关性,解决阵发性40HzERP研究中存在的以上问题,本研究采集50例正常人在安静状态和思维状态下,左右大脑半球8个区域的脑电信号,分析不同状态下阵发性40HzERP的出现水平。1研究对象和方法1.1研究对象50例研究对象来源于重庆医科大学临床学院神经内科住院病人的家属及工作人员,年龄16~69岁,平均40.42±15.11,男女各25例,文化程度小学、初中和高中各10例,大学20例。50例研究对象均为右利手,无神经精神系统疾病,常规EEG正常,MMSE评分高于25分,其中26例作WAIS,评分高于90。1.2研究方法选用我们与南京伟思公司共同研制的高频脑电图(VEEG)特殊脑电前置放大器(截止频率120Hz)与8导采样板,每导采样频率1000Hz,使用单极导联,按标准国际导联10-20方法安放电极,分别记录左右额(F1、F2)、颞(T3、T4)、顶(P1、P2)和枕(O1、O2)8个区域的脑电信号,参考电极为双耳垂。研究对象均在餐后1~2h内进行脑电信号采集。在采集脑电信号前向研究对象说明检查步骤、方法和注意事项,采集时,研究对象在屏蔽室内放松坐于靠背椅上,每个研究对象均被采集以下6种状态的脑电信号:①安静闭眼:要求被检测者闭眼,不思考任何问题。②安静睁眼:研究对象睁眼,双眼平视前方,不思考任何问题。③定向力测试:研究对象闭眼,默答检测者提出的有关定向力测试的问题,共5个问题,每题4s,共20s。④计算力测试:研究对象闭眼,连续默算100-7=?,要求持续计算20s。⑤视空间测试:研究对象睁眼,双眼平视前方检测者提供的图片,默记图片内容,每套图片上有4张图,共3套图片,第1套图片出示时间6s,第2、3套图片出示时间7s,共20s。⑥思维后安静:研究对象闭眼,不思考任何问题。3种安静状态采样时间为1min,3种思维状态采样时间为20s,每个状态采样之间间隔时间为2min。采集的脑电信号经A/D转换器转换为数字信号,使用重庆大学电工技术研究所研制的高频脑电信号分析软件,计算每个研究对象8个脑区,3种安静状态的前20s和3种思维状态20s内阵发性40HzERP出现的时间(T)、面积(A)和峰值(Amp)3个观测指标。T为20s内每个短暂阵发性40HzERP出现时间的总和,单位为ms。Amp为阵发性40HzERP波峰的最高值,单位为μV。A为T与Amp的乘积。将所得全部资料数据输入计算机,使用SAS软件,进行计算机统计学处理。统计方法应用方差分析、相关分析、SNK检验(Student-NewmanKeulsTest)和配对t检验。2实验分析3种安静状态下大脑阵发性40HzERP的3种参数均无明显变化;思维状态时大脑阵发性40HzERP参数T和A明显高于安静状态,视空间测试时阵发性40HzERP参数T和A又明显高于定向力测试和计算力测试。参数Amp在视空间测试时与3种安静状态比较有显著差异(P<0.05)。安静睁眼和安静闭眼时左侧半球的阵发性40HzERP高于右侧(P<0.05),参数T变化最明显,参数A和Amp也存在左侧高于右侧,但无统计学意义。定向力测试和计算力测试时,参数A、T和Amp均反映左侧半球的阵发性40HzERP高于右侧,其中参数A和T有统计学意义(P<0.05);视空间测试时,3种参数均为右侧半球阵发性40HzERP高于左侧,参数A和T有统计学意义。不同研究对象其脑电信号的波幅及频率不同,阵发性40HzERP出现的时间、面积和波幅变化也十分明显,因此不同研究对象之间阵发性40HzERP参数的绝对值比较意义不大,而研究对象思维状态与安静状态比较,思维状态时阵发性40HzERP增加的百分比能较好反映该研究对象认知过程中阵发性40HzERP实际增加情况,不同研究对象思维活动时阵发性40HzERP增加的百分比能较好反映其差异。从以上的分析结果可以看出阵发性40HzERP观察指标T比指标A和Amp更为稳定和敏感,因而选择指标T计算每个研究对象思维状态时,阵发性40HzERP增加的百分比。PTT为总40HzERP时间增加百分比,PLT为左侧时间增加百分比,PRT为右侧时间增加百分比。按年龄大小将50例研究对象分为两组比较,小于50岁为一组(n=34),大于或等于50岁为另一组(n=16)。定向力测试时PTT、PLT和PRT均无年龄差异(P>0.05);计算力测试时年龄小于50岁组PTT和PLT明显高于年龄大于或等于50岁组;视空间测试时年龄小于50岁组PLT与老年组比较有统计学差异(P<0.05)。3种认知活动仅在视空间测试时男性组的PRT明显高于女性组,两者比较有统计学差异(P<0.05)。定向力测试时大学组PTT明显高于其他三组(P<0.05),初中组和高中组也明显高于小学组(P<0.05);计算力测试和视空间测试时,大学组和高中组与小学组和初中组比较阵发性40HzERP(PTT)增加有统计学意义(P<0.05);思维状态时阵发性40HzERPPTT与研究对象的MMSE和WAIS测验得分相关分析,关系系数分别为0.4067和0.6976,呈正相关(P<0.001),MMSE与WAIS得分也呈正相关(相关系数0.6334,P<0.001)。3讨论Sheer等(1985)提出40Hz脑电信号与人的高度警觉、精神集中状态有关,他把这种与人的高度警觉、思维状态、记忆活动等精神活动有关的、短程、非周期性、窄带(36~44Hz)、中心频率为40Hz的阵发性脑电信号称为40HzERP。成年人在积极思维或解决问题时伴随较为丰富的阵发性40HzERP。阵发性40HzERP产生的多少随着待解决问题的难易程度不同而不同。本研究结果表明:正常人在安静睁眼及安静闭眼时,阵发性40HzERP出现的时间、面积和峰值均明显低于定向力测试、计算力测试和视空间测试3种思维状态时,而定向力测试及计算力测试时40HzERP出现时间、面积和峰值又低于视空间测试时的40HzERP,说明随着待解决问题的难度增加,阵发性40HzERP的出现亦增加,研究结果与国内外文献报道是一致的。MMSE和WAIS均为国内外目前评价智力水平较为常用的神经心理学测试量表,MMSE简单易行,但是敏感性不高,可以作为大样本测试时筛选用。WAIS准确与敏感性高,但费时间,有时被测试者难以完成。本研究表明,正常人在思维时40HzERP明显增加,40HzERP增加幅度与MMSE和WAIS得分呈正相关,即研究对象的MMSE和WAIS得分越高,则40HzERP增加幅度越高,进一步证实40HzERP与认知功能密切相关,40HzERP可作为判断认知功能水平的可靠指标。自Sheer提出阵发性40HzERP理论以来,国内外文献研究阵发性40HzERP的检测方法和观察参数有多种。目前观察参数有40HzERP发放率、发放平均持续时间、发放次数和峰值等。文中采用一定时间内阵发性40HzERP出现的T、A和Amp3种参数进行观察,从研究结果可以看出:参数T最稳定和敏感;参数A受参数T和Amp的影响,也较为稳定,其敏感性不如参数T,参数Amp受研究对象脑电波幅大小的影响,不同的研究对象,其脑电波幅大小的差异较大,思维活动时,波幅增加的幅度变化不大,故参数Amp不如参数T和A敏感。从神经病理学观点上看,正常情况下人类脑的重量在出生后3年内增长4倍,一直到18岁左右才停止增加。人类在青少年时期认知功能随着年龄的增加而提高,到了中老年以后某些认知功能随着年龄的增加而减退。该研究发现:正常成年人的定向力测试不受年龄因素的影响,在计算力和视空间测试时,年龄小于50岁组40HzERP增加幅度明显高于年龄大于或等于50岁组,即40HzERP增加幅度与年龄呈负相关,年龄越大40HzERP增加幅度越小,其他智力量表测试结果也表明,在老年人智商得分与年龄呈负相关。定向力和计算力测试时,40HzERP增加幅度在男女性别之间无显著性差异,但是在视空间测试时,男性组右侧大脑半球的40HzERP增加明显高于女性组。本组研究对象男性在视空间测试时,右侧大脑半球的活动较女性组活跃,其真正原因尚待进一步观察。定向力测试时,大学组40HzERP增加幅度明显高于其他各组,初中组和高中组40HzERP增加幅度又明显高于小学组;计算力和视空间测试时,大学组和高中组的40HzERP增加幅度明显高于初中组和小学组。研究结果提示阵发性40HzERP可作为判断认知功能水平的较为可靠指标,在评价个体阵发性40HzERP水平的病理意义时,则要参考相应文化程度对照者的水平。人类大脑两半球在生物进化过程中随着劳动及使用工具而有了分工,机能向一侧化发展,而言语功能的一侧化被称为言语优势半球或优势半球,90%以上人是用右手作精细劳动操作的,他们中绝大多数的言语优势半球在左半球,而他们的体象中枢则位于右半球中。左侧大脑半球在言语、逻辑思维、分析能力以及计算等方面起决定作用;右侧大脑半球有高级的认知中枢,主要在音乐、美术、综合能力、空间和形状的识别、短期的视觉记忆和认识不同人的面容等方面起决定作用。本组研究对象均为右利手,则优势半球为左侧大脑半球,在安静状态时,左侧大脑半球的阵发性40HzERP出现的时间多于右侧大脑半球,提示左侧大脑半球阵发性40HzERP占优势,在定向力测试和计算力测试时左侧大脑半球的阵发性40HzERP明显高于右侧大脑半球,提示定向力测试和计算力测试时左侧大脑半球的活动更为活跃。视空间测试时右侧大脑半球的阵发性40HzERP明显高于左侧大脑半球,提示右侧大脑半球的活动较左侧大脑半球活跃。研究结果表明阵发性40HzERP的研究与神经心理学和神经生理学的研究高度一致,提示阵发性40HzERP可作为反映人的认知功能较为可靠指标。4结论40HzERP受被测试者年龄、性别、文化程度和智力水平等诸多方面因素的影响,在成年人,随着解决问题的难易程度不同,阵发性40HzERP出现的多少亦不同,解决的问题越难,则40HzERP出现越多,反之,解决的问题越简单则阵发性40HzERP出现越少。左右大脑半球