李 凌，張金香

(電子科技大學(xué)神經(jīng)信息教育部重點(diǎn)實(shí)驗室 成都 610054)

閉眼與開眼靜息狀態(tài)下腦電α波的差異研究

李 凌，張金香

(電子科技大學(xué)神經(jīng)信息教育部重點(diǎn)實(shí)驗室 成都 610054)

利用128導(dǎo)腦電儀采集了11個健康被試者的閉眼與開眼靜息狀態(tài)下的高分辨率腦電信號，對閉眼與開眼情況下α波(8～13 Hz)功率的差異進(jìn)行了分析。計算兩種情況下全腦腦電信號的平均功率，統(tǒng)計檢驗了兩者的全腦平均功率；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)低分辨率電磁斷層成像方法對頭皮功率值進(jìn)行定位，利用t檢驗得到兩種情況下具有顯著性差異的α波功率在大腦中的位置。結(jié)果表明，閉眼情況下α波功率顯著高于開眼，具有顯著性差異的大腦位置包括額葉、頂葉和枕葉等區(qū)域。

α波; 腦電圖; 閉眼; 開眼; 靜息狀態(tài); 標(biāo)準(zhǔn)低分辨率電磁斷層成像方法; 統(tǒng)計檢驗

在人的頭皮表面，可以記錄到自發(fā)腦電圖(electroencephalography，EEG)，大多數(shù)健康成年人的腦電以α波(8～13 Hz)為主，在無任務(wù)清醒閉眼狀態(tài)(即靜息狀態(tài))時幅度最高，主要分布在頂枕區(qū)；而睜眼后幅度會有一定的降低[1-2]。一些早期的研究把認(rèn)知功能、大腦疾病和α波的頻率、幅度、功率的變化聯(lián)系在一起[3-5]。文獻(xiàn)[6]提出了α波反映注意需求，β波反映情感和認(rèn)知處理的假設(shè)。文獻(xiàn)[7]進(jìn)一步提出低頻α波(6～10 Hz)反映注意需求，而高頻α波(10～12 Hz)反映對語義信息的處理。文獻(xiàn)[8]利用腦磁圖技術(shù)(magnetoencephalography，MEG)研究α波的功能，發(fā)現(xiàn)刺激前的α波功率和任務(wù)執(zhí)行的成績之間是負(fù)相關(guān)，與此任務(wù)相關(guān)的α波定位于頂-枕溝。

越來越多對閉眼靜息狀態(tài)的研究采用了同步記錄腦電和功能核磁共振技術(shù)(EEG-fMRI)，發(fā)現(xiàn)α波功率與額-頂網(wǎng)絡(luò)的激活程度成負(fù)相關(guān)[9-11]，而該額-頂網(wǎng)絡(luò)是公認(rèn)的注意處理網(wǎng)絡(luò)，包括內(nèi)側(cè)頂葉溝(intraparietal sulcus，IPS)、額葉眼動區(qū)(fontal eye field，F(xiàn)EF)、中央前回腹側(cè)(ventral precentral gyrus)、額中回(middle frontal gyrus)。因此，閉眼的α波振蕩也被認(rèn)為是維持非注意(inattention)狀態(tài)的神經(jīng)系統(tǒng)基線[9]。這些研究都表明α波可能是與許多認(rèn)知功能有關(guān)，如注意、信息處理等，因此對α波的研究具有重要的意義。

本文在靜息狀態(tài)下，分別對清醒閉眼和開眼的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算了128導(dǎo)信號α波的平均功率，比較閉眼與開眼功率的全腦差異。然后運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)低分辨率電磁斷層成像方法(sLORETA)對α波的頭皮功率進(jìn)行大腦定位，進(jìn)一步利用t檢驗得到閉眼與開眼兩種情況下具有顯著性差異的α波功率在大腦中的具體位置，以此探討在閉眼與開眼狀態(tài)下大腦活動的差異。

1 腦電數(shù)據(jù)采集和處理

被試者為11名健康在校大學(xué)生，其中包括5名女性，平均年齡為22歲，所有被試為右利手。實(shí)驗包括兩部分：(1)3 min的清醒閉眼腦電記錄，要求被試者保持安靜、閉眼、放松的狀態(tài)坐在椅子上，盡量不移動頭部，以減少頭動和身體移動對腦電信號的影響；(2)3 min的清醒開眼腦電記錄，距離被試者前面60 cm處有一顯示器，屏幕背景為黑色，中央始終出現(xiàn)一個綠色十字，要求被試者注視十字，保持安靜狀態(tài)。

用128導(dǎo)EGI腦電采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，參考電極取頭頂Cz，采樣頻率為500 Hz，頭皮電阻小于5 k?，并同時記錄水平眼電和垂直眼電。記錄數(shù)據(jù)后進(jìn)行離線(off-line)處理：31 Hz低通濾波；分段，每250個數(shù)據(jù)點(diǎn)作為一段(0.5 s數(shù)據(jù))；去眨眼、頭動等偽跡，剔除幅度絕對值大于100 μV的數(shù)據(jù)段；基線校準(zhǔn)(每段數(shù)據(jù)的前200 ms數(shù)據(jù)作為基線)，并換算成平均參考。把所有被試者的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過上述預(yù)處理后，一共得到閉眼狀態(tài)下的有效數(shù)據(jù)2 284段，開眼狀態(tài)下的有效數(shù)據(jù)2 277段。

利用周期圖法計算閉眼和開眼狀態(tài)下每個被試者有效數(shù)據(jù)段的α波(8～13 Hz)的功率，再求各段功率的平均值，依此方法計算所有128導(dǎo)信號，最后得到每個被試者的頭皮平均α功率地形圖。利用頭皮α功率地形圖，計算閉眼和開眼狀態(tài)下的全腦平均功率大小，并用單因子方差分析(analyses of variance，ANOVA)進(jìn)行統(tǒng)計檢驗。

本文采用了sLORETA方法計算頭皮α功率地形圖的電流密度皮層三維分布[12]，該算法利用三層球頭模型配準(zhǔn)到Talairach人腦坐標(biāo)圖中，解的空間限制在皮層灰質(zhì)和海馬區(qū)域，總計6 430個像素，每個像素估計3個方向的偶極矩，空間分辨率為5 mm。sLORETA采用最小范數(shù)準(zhǔn)則估計電流密度，根據(jù)局部最大的電流密度進(jìn)行定位。定位結(jié)果進(jìn)一步利用t檢驗方法得到閉眼與開眼兩種情況下，α波功率具有顯著性差異的大腦位置。

2 結(jié) 果

2.1 全腦平均功率結(jié)果

11名被試者在閉眼狀態(tài)下，α波的全腦平均功率為1 003.28±381.09 μV2(表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，mean±standard deviation，后面皆是統(tǒng)一的表達(dá)方式)，開眼狀態(tài)下α波的全腦平均功率為262.31±125.55 μV2，功率柱狀圖及標(biāo)準(zhǔn)誤差線如圖1所示。用單因子方差法分析11個被試者閉眼和開眼狀態(tài)下的全腦α功率的差異，發(fā)現(xiàn)閉眼狀態(tài)的平均功率值顯著大于開眼狀態(tài)的功率值(p<10?5)，說明在開眼后α波受到阻斷，幅度減小。

圖1 閉眼和開眼狀態(tài)下11個被試者的平均α波功率柱狀圖和標(biāo)準(zhǔn)誤差線

2.2 sLORETA定位結(jié)果

本文利用sLORETA方法，分別對11名被試者頭皮α功率地形圖做定位分析，然后疊加得到定位的總平均結(jié)果。閉眼狀態(tài)的成像結(jié)果如圖2所示，圖中Y、Z軸的單位為厘米。圖2a顯示大腦左半球中的最大電流密度的區(qū)域，Talairach坐標(biāo)為[?35,?90,?20](單位為毫米)，位于枕葉，布洛德曼(Brodmann area)18區(qū)；圖2b顯示大腦右半球中的最大電流密度的區(qū)域，Talairach坐標(biāo)為[35,?90,?20](單位為毫米)，位于枕葉，布洛德曼18區(qū)。

成像結(jié)果顯示閉眼狀態(tài)下，大腦主要的活躍區(qū)域位于左、右枕葉，圖2中右枕葉的大腦活動比左枕葉活動強(qiáng)，但對大腦左、右半球的平均功率做統(tǒng)計檢驗時發(fā)現(xiàn)它們沒有顯著性差異(p>0.05)。

開眼狀態(tài)的成像結(jié)果如圖3所示，圖中Y、Z軸的單位為厘米。圖3a顯示大腦左半球中的最大電流密度的區(qū)域，Talairach坐標(biāo)為[?40,?80,?20](單位為毫米)，位于枕葉，布洛德曼(Brodmann area)19區(qū)；圖3b顯示大腦右半球中的最大電流密度的區(qū)域，Talairach坐標(biāo)為[50,?60,?25](單位為毫米)，位于顳葉，布洛德曼37區(qū)。

圖3顯示開眼狀態(tài)下大腦主要活動區(qū)域包括視覺初級皮層(BA,19區(qū))和枕顳聯(lián)合區(qū)(BA,37區(qū))等，說明開眼后接收到外界的視覺信息的輸入，大腦活動的區(qū)域與閉眼相比發(fā)生了變化。對大腦左、右半球的平均功率做統(tǒng)計檢驗時發(fā)現(xiàn)它們沒有顯著性差異(p>0.05)。

圖2 閉眼狀態(tài)下sLORETA成像示意圖

圖3 開眼狀態(tài)下sLORETA成像示意圖

2.3 閉眼與開眼狀態(tài)的定位統(tǒng)計結(jié)果

本文利用t檢驗方法對11個被試者閉眼與開眼狀態(tài)下求得的6 430個像素的電流密度值進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到具有顯著性差異的大腦像素位置。表1列出了閉眼與開眼狀態(tài)下大腦活動具有顯著性差異的解剖位置(p<0.01)，包括Talairach坐標(biāo)(X,Y,Z)、腦葉、解剖結(jié)構(gòu)、大腦半球和布洛德曼區(qū)(BA)。表1顯示閉眼狀態(tài)下的α波活動顯著比開眼狀態(tài)下的強(qiáng)，兩種狀態(tài)具有顯著性差異的大腦區(qū)域包括左、右額葉皮層(BA,32/6/8)，右頂葉皮層(BA,2/3)，右枕葉皮層(BA,19)。

表1 閉眼與開眼狀態(tài)大腦活動具有顯著性差異的解剖位置

表1中，montreal neurological institute (MNI)是規(guī)定的腦圖像坐標(biāo)模板。

3 結(jié) 束 語

本文在靜息狀態(tài)下，分別對被試者清醒閉眼和開眼的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)閉眼狀態(tài)下全腦α波的平均功率比開眼狀態(tài)下強(qiáng)。用sLORETA方法對α波的頭皮功率進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)在閉眼狀態(tài)下主要的活動區(qū)域是左、右枕葉(18區(qū))，而開眼狀態(tài)下主要的活動區(qū)域包括枕葉(19區(qū))和頂-顳聯(lián)合區(qū)(37區(qū))等區(qū)域，兩種狀態(tài)下的大腦活動具有一定的差異。進(jìn)一步利用t檢驗方法得到閉眼與開眼兩種情況下具有顯著性差異的α波功率在大腦中的具體位置，探討了閉眼與開眼狀態(tài)下大腦活動的差異。

早期對閉眼和開眼差異的研究結(jié)果多集中在位于枕-頂葉的α波的幅度的變化，閉眼幅度大于開眼幅度。本文的結(jié)果顯示額葉α波幅度也發(fā)生了顯著性變化，在閉眼靜息狀態(tài)下α波在額葉、頂葉、枕葉這些腦區(qū)中可能存在一定的主動性活動，它們可能是用來有組織地維持大腦的靜息狀態(tài)；當(dāng)被試的狀態(tài)變?yōu)殚_眼靜息時，隨著視覺信息的輸入，這些區(qū)域的活動減弱。

[1]堯德中. 腦功能探測的電學(xué)理論與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

YAO De-zhong. Electrical theories and methods of brain functional measurement[M]. Bejing: Science Press, 2003.

[2]CHEN A C N, FENG W, ZHAO H, et al. EEG default mode network in the human brain: Spectral regional field powers[J]. NeuroImage, 2008, 41(2): 561-574.

[3]MORETTI D V, BABILONI C, BINETTI G, et al.Individual analysis of EEG frequency and band power in mild Alzheimer’s disease[J]. Clin Neurophysiol, 2004,115(2): 299-308.

[4]JAUSOVEC N, HABE K. The influence of auditory background stimulation (Mozart’s sonata K. 448)on visual brain activity[J]. Int J Psychophysiol, 2004, 51(3): 261-271.[5]BASTIAANSEN M C M, POSTHUMA D, GROOT P F C,et al. Event-related alpha and theta responses in a visuo-spatial working memory task[J]. Clin Neurophysiol,2002, 113(12): 1882-1893.

[6]RAY W J, COLE H W. EEG alpha activity reflects attentional demands, and beta activity reflects emotional and cognitive processes[J]. Science, 1985, 228(4700): 750-752.

[7]WOLFGANG K. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis[J]. Brain Research Reviews, 1999, 29(2-3): 169-195.

[8]VAN DIJK H, SCHOFFELEN J M, OOSTENVELD R, et al.Prestimulus oscillatory activity in the alpha band predicts visual discrimination ability[J]. J Neurosci, 2008, 28(8):1816-1823.

[9]LAUFS H, KLEINSCHMIDT A, BEYERLE A, et al.EEG-correlated fMRI of human alpha activity[J].NeuroImage, 2003, 19(4): 1463-1476.

[10]LAUFS H, KRAKOW K, STERZER P, et al.Electroencephalographic signatures of attentional and cognitive default modes in spontaneous brain activity fluctuations at rest[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2003,100(19): 11053-11058.

[11]MANTINI D, PERRUCCI M G, DEL GRATTA C, et al.Electrophysiological signatures of resting state networks in the human brain[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2007,104(32): 13170-13175.

[12]PASCUAL-MARQUI R D. Standardized low-resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA): Technical details[J]. Method Find Exp Clin, 2002, 24(Suppl D): 5-12.

編 輯 黃 莘

Study of the Alpha Wave Differences Between Eyes-Closed and Eyes-Open Resting States

LI Ling and ZHANG Jin-xiang

(Key Laboratory for NeuroInformation of Ministry of Education, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

High resolution electroencephalography (EEG)signals were collected in eleven healthy subjects to study differences of the alpha wave (8～13 Hz)between eyes-closed and eyes-open resting states. In these two states, the mean power of alpha wave over 128 channels was computed and analyzed. Furthermore, brain regions of the alpha power were localized using standardized low resolution electromagnetic tomography (sLORETA)analyses and the difference of the alpha power between the eyes-closed and the eyes-open states was tested by t test.Results show that the alpha wave power is obviously stronger in the eyes-closed state than in the eyes-open state with significant difference in frontal, parietal and occipital regions.

alpha wave; electroencephalography; eyes-closed; eyes-open; resting state;standardized low resolution electromagnetic tomography; statistical tests

R318.04; R853

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.03.028

2009- 09- 13;

2010- 03-11

國家自然科學(xué)基金(30800242)

李 凌(1975- )，女，博士，副教授，主要從事神經(jīng)信息學(xué)、EEG/ERP的模型與方法等方面的研究.

·電子信息材料與器件·