范玉穎 向 敬 劉雪雁 王 華

1.中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院小兒神經(jīng)內(nèi)科（遼寧沈陽 110004）；2.美國辛辛那提兒童醫(yī)院腦磁圖中心（美國辛辛那提 45229）

睜閉眼狀態(tài)下后頭部α 節(jié)律的變化是腦電圖中最廣為人知的生理現(xiàn)象。清醒安靜閉眼狀態(tài)下，枕區(qū)α波出現(xiàn)最多且波幅最高，睜眼時明顯減弱或消失（與環(huán)境明暗程度無關(guān)）。以往對閉眼和睜眼差異的研究多集中在位于后頭部的α波的變化。近年來，閉眼引起的其他電生理特性也在不斷研究中[1-2]。腦電圖相關(guān)研究中也已明確，閉眼和睜眼狀態(tài)下δ、θ、β 頻段存在差異，但高于β 頻段的相關(guān)研究仍很少。由于頭皮腦電圖的空間分辨率的限制，腦磁圖（magnetoencephalography，MEG）可能提供更多的信息，以更好地了解大腦活動的發(fā)展變化。MEG檢測磁信號，磁信號可以通過頭骨和皮膚而不會產(chǎn)生明顯的衰減。一項(xiàng)健康成年人的MEG研究結(jié)果表明，閉眼可增加后腦區(qū)域α 頻段的腦磁源強(qiáng)度，并調(diào)節(jié)β和低γ頻段的大腦活動[3]。大腦不同頻段的活動是隨著年齡發(fā)育變化的[4-6]。本研究擬應(yīng)用一種相對新的研究方法——累積源成像（accumulated source imaging，ASI）方法[7]，分析健康兒童在睜眼和閉眼不同狀態(tài)下的多頻段大腦磁活動特征。明確睜閉眼兩種不同狀態(tài)下的腦磁活動變化，能夠反映發(fā)育中的大腦視覺處理模式的不同；為評估不同疾病的睜閉眼狀態(tài)下的腦磁活動變化提供基礎(chǔ)；為腦磁圖和腦電圖相關(guān)研究中睜閉眼不同狀態(tài)的基線條件選擇提供客觀依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究于2008年6月—2012年5月招募美國辛辛那提地區(qū)健康的中小學(xué)學(xué)生作為研究對象。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡范圍6～13 周歲；②所有受試者健康，無神經(jīng)或精神疾病史。排除標(biāo)準(zhǔn)：①受試者不能在腦磁圖掃描儀內(nèi)保持靜止及頭部運(yùn)動大于5 mm；②有一個不可移動的植入物，如耳蝸植入設(shè)備，起搏器等；③在他們的記錄中有視覺可識別的噪聲（波形振幅>6 Pt）。

本研究得到了美國辛辛那提兒童醫(yī)院倫理審查委員會（No.2008-0461）的批準(zhǔn)。

1.2 方法

1.2.1 MEG 記錄 MEG 數(shù)據(jù)通過加拿大CTF 公司的MEG 系統(tǒng)獲得，應(yīng)用基于超導(dǎo)量子干涉裝置（superconducting quantumn interference device，SQUID）的MEG系統(tǒng)進(jìn)行檢測，該系統(tǒng)在磁屏蔽室中對整個頭部進(jìn)行評估。在整個過程中，受試者被要求以仰臥的姿勢舒適地躺著，手臂放在兩側(cè)，保持靜止，目光直視上方或閉眼，保持清醒放松狀態(tài)。為了識別系統(tǒng)噪聲和環(huán)境噪聲，實(shí)驗(yàn)前，記錄無受試者狀態(tài)下的MEG 數(shù)據(jù)，對MEG 數(shù)據(jù)進(jìn)行三階梯度噪聲消除。MEG記錄的采樣率為每通道6 000 Hz。參照以往研究[7-8]，每位受試者在閉眼和睜眼條件下分別記錄2分鐘。

1.2.2 MRI 掃描 所有受試者均使用3 T Philips Achieva掃描儀（Philips Healthcare，3000 Minuteman Road，Andover，MA）進(jìn)行MRI掃描。具體參照既往研究[7,9]，掃描序列包括橫軸位T1自由水抑制序列，橫軸位T2自由水抑制序列，橫軸位T2加權(quán)序列，矢狀位T 1 自由水抑制序列，冠狀位T 1 加權(quán)序列。通過將腦磁圖數(shù)據(jù)處理后顯示的腦磁源成像與MRI影像進(jìn)行融合處理，實(shí)現(xiàn)不同頻段的腦磁源定位分析。

1.2.3 MEG 數(shù)據(jù)分析 MEG 數(shù)據(jù)分析參照以往的標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)行[7-8]。MEG數(shù)據(jù)的偏差在6 Pt內(nèi)，被認(rèn)為沒有噪聲或偽差，用以進(jìn)行分析。MEG 數(shù)據(jù)通過濾波分成δ（1～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～12 Hz）、β（12～30 Hz）、低γ（30～55 Hz）、高γ（65～90 Hz）不同頻段。本文使用AS方法進(jìn)行腦磁源強(qiáng)度及定位分析。首先，需要提取特定時間段、特定頻率段的信號進(jìn)行時頻分析，本文采用Morlet 小波變換：其中t表示特定時間段，f表示特定頻率段，cσ表示歸一化系數(shù)。根據(jù)公式即可將特定時間段和特定頻率段的MEG 時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)。本研究使用ASI方法對MEG數(shù)據(jù)在特定時間段和特定頻率段進(jìn)行頻譜分析。該方法的基本原理為：MEG信號的頻域很廣，范圍在0.1～1 000 Hz，而在各頻段處理的過程中，會導(dǎo)致部分MEG信道中的頻譜能量較弱，采用ASI方法可以對各時間段及信道內(nèi)的頻譜能量進(jìn)行累加處理，從而解決該問題?；贏SI 方法對腦磁圖數(shù)據(jù)在特定時間段和特定頻率段進(jìn)行頻譜分析，按照每5 秒一組的方式，對每一信道的時域波形進(jìn)行分解，從而得到波形1、波形2、直至波形 N；對各個時間段的時域波形圖進(jìn)行Morlet 小波變換，得到對應(yīng)的頻譜圖；將各個時間段的頻譜圖累加在一起，得到每一信道的累積源成像。腦磁源強(qiáng)度的測量采用軟件包“MEG Processor”實(shí)現(xiàn)[7]?；赟QUID的MEG系統(tǒng)檢測到的腦磁源絕對強(qiáng)度，可能會受到頭部大小和/或頭部位置的顯著影響，因此參照相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]，本研究進(jìn)行了腦磁源相對強(qiáng)度的分析，即每個頻段的絕對強(qiáng)度除以總的絕對強(qiáng)度，得到的數(shù)值范圍為0.0～1.0。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示；非正態(tài)分布計(jì)量資料以中位數(shù)（P25～P75）表示，組間比較采用Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以例數(shù)（百分比）表示，組間比較采用Fisher精確概率法檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般情況

本研究共招募健康受試者28名，排除4名；有2名參與者由于牙齒有其他金屬設(shè)備可能產(chǎn)生磁噪聲而被排除在外，1 名參與者由于無法進(jìn)行MRI 掃描而被排除在外，還有1 名參與者由于過度運(yùn)動而被排除在外。最終納入研究24名，平均年齡（10.3±2.4）歲，男生14名、女生10名。所有受試者配合度均良好。

2.2 閉眼和睜眼狀態(tài)組腦磁源絕對強(qiáng)度和相對強(qiáng)度比較

閉眼狀態(tài)組的δ、θ、低γ、高γ 頻段腦磁源絕對強(qiáng)度較睜眼狀態(tài)組的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。見表1。

表1 兒童睜閉眼靜息態(tài)不同頻段腦磁源絕對強(qiáng)度比較[M(P25～P75)]

與睜眼狀態(tài)組相比，閉眼狀態(tài)組兒童α 和β頻段腦磁源相對強(qiáng)度顯著升高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）。閉眼狀態(tài)組的δ、低γ 和高γ 頻段腦磁源相對強(qiáng)度較睜眼狀態(tài)組顯著降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見表2。

表2 兒童睜閉眼靜息態(tài)不同頻段腦磁源相對強(qiáng)度比較[M(P25～P75)]

2.3 腦磁源定位分析

每個頻段通常有1～3 種腦磁源位置，這些位置的源強(qiáng)度明顯高于大腦其他部位的同頻段腦磁源活動。在睜閉眼不同狀態(tài)下，對各頻段每位受試者最強(qiáng)的腦磁源位置進(jìn)行計(jì)數(shù)分析，F(xiàn)isher精確概率法結(jié)果顯示，各頻段的腦磁源位置分布在睜、閉眼狀態(tài)下差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見表3。1 例13 歲健康男童睜閉眼不同狀態(tài)下的腦磁源圖像定位見圖1。

圖1 1 例13 歲健康男童睜閉眼不同狀態(tài)下腦磁源圖像定位

3 討論

本項(xiàng)目研究了健康兒童睜眼和閉眼不同狀態(tài)下的多頻段腦磁源活動的差異。通過對腦磁源絕對強(qiáng)度和相對強(qiáng)度的分析比較，本研究發(fā)現(xiàn)睜眼和閉眼不同狀態(tài)下，大腦活動在較寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)生顯著變化。閉眼可以調(diào)節(jié)多種頻率范圍內(nèi)的大腦生理活動，包括既往研究較少的γ 頻段。腦磁源定位分析顯示各頻段的腦磁源位置在睜閉眼狀態(tài)下無顯著差異。

一項(xiàng)關(guān)于成人睜閉眼對頭皮腦電活動影響的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，睜眼狀態(tài)與閉眼狀態(tài)相比，整個頭皮的δ、θ、α和β活動絕對值均有所減少[13]。在隨后的一項(xiàng)針對30 名8～12 歲兒童的研究中，發(fā)現(xiàn)了類似的改變[14]。在本研究中，α 和β 頻段的中位絕對強(qiáng)度在健康兒童中顯示出相似的變化。本研究沒有顯示兒童在閉眼和睜眼狀態(tài)時δ 和θ 波段絕對強(qiáng)度的顯著變化。由于方法上的差異，頭皮腦電圖的結(jié)果可能與腦磁圖的結(jié)果不同。MEG 對顱骨厚度和皮膚電導(dǎo)不敏感，不需要參考電極[15]。由于頭皮腦電圖的局限性，相關(guān)研究應(yīng)用顱內(nèi)腦電數(shù)據(jù)觀察了睜閉眼不同狀態(tài)下大腦活動的變化，該研究是在對成年癲癇患者進(jìn)行有創(chuàng)的皮層腦電圖（electrocorticogram，ECoG）監(jiān)測期間完成的[16]。研究發(fā)現(xiàn)，閉眼引起δ、θ 和β 頻段強(qiáng)度增加；而高頻段（30～120 Hz）強(qiáng)度下降，這在以往的腦電圖研究中未見報道[16]。本研究的結(jié)果顯示，睜眼和閉眼不同狀態(tài)的高頻段絕對強(qiáng)度沒有顯著變化，與以往這項(xiàng)ECoG 研究不同；本研究對象為健康兒童，而ECoG 研究包括成人癲癇患者，MEG 在方法上也與ECoG 不同。腦磁源絕對強(qiáng)度可能會受到頭部大小和/或頭部位置的顯著影響，為將上述的干擾因素降到最低，參照其他的腦電圖和MEG 研究[10-11]，本研究同時分析了相對強(qiáng)度；睜閉眼不同狀態(tài)的高頻段腦磁源相對強(qiáng)度變化顯著，與以往的ECoG研究結(jié)果相似?；诠獗么帕x（optically-pumped magnetometers，OPMs）的新型腦磁圖系統(tǒng)（OPMMEG），由于傳感器與大腦的距離較近，適合所有頭部大小，OPM-MEG記錄的信噪比（SNR）相對較高，利用OPM-MEG這一新技術(shù)研究閉眼對大腦活動的影響將更理想[17]。OPM-MEG 是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，具有非常好的應(yīng)用前景[18]。

閉眼和睜眼狀態(tài)下，α 頻段以外的其他頻段腦活動差異反映了皮層對視覺輸入的加工[13-14]。近來，有多項(xiàng)有關(guān)健康受試者的視覺相關(guān)的γ振蕩的研究報道，這些研究結(jié)果為γ活動在視覺感知中的作用提供了新的見解[19-21]。本研究對象為年齡6～13 歲的兒童，平均年齡為10.3 歲，研究結(jié)果與近來的一項(xiàng)腦電圖研究中青春期前的兒童組結(jié)果相似[6]。以往的一項(xiàng)MEG 研究結(jié)果顯示閉眼可以增加成年人后頭部α 頻段活動，并調(diào)節(jié)β 頻段和低γ 頻段范圍的大腦活動[3]，該研究采用的是快速傅里葉變換方法；本項(xiàng)目不同于以往的腦電圖和MEG研究，采用了更加先進(jìn)的基于小波變換的波束形成方法，對發(fā)育中的兒童進(jìn)行了研究。

本研究比較了兒童睜眼和閉眼時腦磁源位置的空間分布，與既往研究中正常組兒童的結(jié)果相似[22]。雖然在個體水平上發(fā)現(xiàn)了一些腦磁源位置存在差異趨勢，且個體間的變異模式不盡相同，但在群體水平上沒有發(fā)現(xiàn)顯著的變化，有待擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步研究。在閉眼時，本研究顯示了與既往MEG研究相似的發(fā)現(xiàn)，β 和低γ 振蕩位于后頭部[3]。以往文獻(xiàn)研究表明，大腦活動隨年齡發(fā)育不斷變化[4-6]。本項(xiàng)目由于樣本量小的局限性，尚未研究6～13 歲不同年齡段的睜閉眼狀態(tài)下不同頻段腦磁活動的變化。

綜上，本研究結(jié)果表明，在發(fā)育的大腦中，閉眼和睜眼不同狀態(tài)，大腦活動在較寬的頻率范圍內(nèi)，存在著特定頻率的變化。這種頻率特異性的腦活動變化，可能反映了大腦發(fā)育過程中視覺處理或默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的成熟。睜眼靜息態(tài)下，由于更多視覺信息的輸入和處理，與安靜閉眼靜息態(tài)相比，視覺網(wǎng)絡(luò)活動增強(qiáng)。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是大腦自發(fā)意識行為的神經(jīng)基礎(chǔ)，是靜息態(tài)下最基礎(chǔ)和最重要的腦網(wǎng)絡(luò)之一。安靜閉眼是目前研究最多的靜息態(tài)，與安靜睜眼的靜息狀態(tài)相比，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)保持較強(qiáng)活動。建議在進(jìn)行MEG或腦電圖研究時，應(yīng)考慮閉眼和睜眼的基線條件差異。這些措施也可能提供一個臨床工具來評估不同疾病的大腦功能狀態(tài)，如偏頭痛等。未來還需進(jìn)行更多的研究工作，包括明確睜閉眼是否影響其他頻段的活動，如高頻振蕩等。