抑郁癥靜息態(tài)EEG前后部腦電活動(dòng)

廖智舟， 李川， 周軍， 周海燕， 秦裕林，豐雷，馮媛

(1.北京工業(yè)大學(xué) 國(guó)際WIC研究院磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124； 2.首都醫(yī)科大學(xué) 附屬北京安定醫(yī)院,北京 100124)

目前在全世界范圍有3.4億抑郁癥患者，在全世界十大疾病中，抑郁癥排到第5位，預(yù)計(jì)到2020年，抑郁癥將躍居到第2位[1]。抑郁癥對(duì)人的勞動(dòng)力的損害也日益得到重視。研究人員已從不同的角度，對(duì)抑郁癥的鑒別、治療、療效評(píng)估等方面進(jìn)行研究，取得了較大的進(jìn)展。盡管已有研究發(fā)現(xiàn)，社會(huì)人口統(tǒng)計(jì)學(xué)因素、臨床表現(xiàn)、生理學(xué)標(biāo)志、基因多態(tài)性和EEG/MEG參數(shù)等都是預(yù)測(cè)抑郁癥治療效果的重要指標(biāo)，但到目前為止還沒(méi)有單獨(dú)的預(yù)報(bào)方法能獲得對(duì)臨床目的滿意的敏感度和特異性[1]。高敏感度和特異性的預(yù)測(cè)方法對(duì)開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)診斷具有十分重要的意義。

1 靜息態(tài)EEG

EEG是由腦皮層神經(jīng)元突觸后電位同步總和的表現(xiàn)。在人們無(wú)刺激、清醒、放松條件下記錄的EEG稱為靜息態(tài)EEG。時(shí)域的EEG有2個(gè)特征量，橫軸時(shí)間變量與縱軸電位變量。僅用這2個(gè)變量難以區(qū)別正常人與抑郁癥病人的EEG。有些研究將靜息態(tài)EEG進(jìn)行傅里葉變換，把時(shí)域的EEG轉(zhuǎn)換為頻域的EEG，用頻域的特征量來(lái)分析，區(qū)別正常人和抑郁癥。還有些研究對(duì)靜息態(tài)EEG進(jìn)行小波變換，這種變換是把時(shí)域和頻域結(jié)合起來(lái)的分析方法，然后計(jì)算小波熵，抑郁癥與正常人在小波熵上有顯著的差異。本研究中首先使用快速傅里葉變換(FFT)將靜息態(tài)EEG從時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，快速傅里葉變換的結(jié)果與傅里葉變換的結(jié)果相似，但是快速傅里葉變換算法在時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度上都優(yōu)于傅里葉變換，較便于計(jì)算機(jī)計(jì)算?？焖俑道锶~變換后可以將各個(gè)記錄通道的頻譜進(jìn)行頻帶劃分。然后將各個(gè)記錄通道各個(gè)頻帶的功率或者電壓密度導(dǎo)出,做進(jìn)一步分析。

由于人類的腦呈左右半球?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，但是左右半球的功能不同，研究者很容易考慮到去比較抑郁癥與正常人左右半球活動(dòng)強(qiáng)度的對(duì)稱性。已有研究在將靜息態(tài)EEG快速傅里葉變換后，取各個(gè)頻帶各個(gè)通道的功率值，進(jìn)行左右半球?qū)ΨQ通道功率值是否對(duì)稱的檢驗(yàn)。大量的證據(jù)顯示單相抑郁癥與前部腦區(qū)左半球相對(duì)右半球活動(dòng)下降存在聯(lián)系[2-4]。臨床抑郁癥病人相對(duì)正常人而言，顯示左前額活動(dòng)下降[5]。用貝克抑郁自評(píng)量表(BDI)選出的病人EEG顯示與正常人相比左前葉活動(dòng)降低[6]。

盡管人腦前后部分結(jié)構(gòu)上并不對(duì)稱，還是有研究探討前后部腦活動(dòng)強(qiáng)度比率在正常人與抑郁癥病人之間是否有差異。有研究使用PET技術(shù)發(fā)現(xiàn)抑郁癥病人前部腦區(qū)相對(duì)于后部腦區(qū)血液灌注量小，葡萄糖新陳代謝活動(dòng)較慢[7]。但是還沒(méi)有研究用EEG研究此問(wèn)題。本研究將探討腦前部相對(duì)于腦后部電生理活動(dòng)比值在正常人與抑郁癥病人之間的差異。其中Fp1、Fp2、F3、F44個(gè)通道EEG反映了腦前部的神經(jīng)電活動(dòng)，P3、P4兩通道EEG反映了腦后部的神經(jīng)電活動(dòng)。取這些通道FFT后的電壓密度進(jìn)行(Fp1-P3)/P3, (F3-P3)/P3, (Fp2-P4)/P4, (F4-P4)/P4計(jì)算，這與以前研究左右半球腦活動(dòng)不對(duì)稱性的計(jì)算方法是類似。而且以前的研究都是使用FFT后的功率值進(jìn)行計(jì)算，本研究使用的是電壓密度。

2 方法與被試

2.1 被試情況

抑郁癥病人和健康人的選擇遵循著一定的排除標(biāo)準(zhǔn)，只要符合其中之一的人都不能參加實(shí)驗(yàn)。排除標(biāo)準(zhǔn)為:1)不是右利手；2)最近6個(gè)月有酒精、藥物濫用或依賴；3)有腦、心、肝、腎、肺等重要臟器疾??；4)有控制不良的糖尿病；5) 有嚴(yán)重的自殺危險(xiǎn)；6) 伴有其他精神疾病(如精神分裂癥、雙向心境障礙等)及嚴(yán)重軀體疾病;7) 年齡不在18～70歲。

正常組被試基本情況見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)前每個(gè)被試都填寫(xiě)了貝克抑郁自評(píng)量表。分?jǐn)?shù)都在10分以下，平均5.36分，可以認(rèn)為都是非抑郁癥患者。

表1 3組被試的基本信息和相關(guān)量表評(píng)分

注：**表示經(jīng)過(guò)t檢驗(yàn)，正常組與抑郁癥未用藥組差異顯著，P<0.01。

抑郁癥病人被試數(shù)據(jù)收集的時(shí)間為2013年1月，地點(diǎn)為首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安定醫(yī)院。這些被試者經(jīng)過(guò)安定醫(yī)院經(jīng)驗(yàn)豐富的精神病科醫(yī)師篩選，都達(dá)到DSM-IV標(biāo)準(zhǔn)(美國(guó)精神病標(biāo)準(zhǔn))?；厩闆r見(jiàn)表1，每個(gè)抑郁癥患者都填寫(xiě)了貝克自評(píng)量表(BDI)、嚴(yán)重度評(píng)定表(CGI-S)、漢密爾頓抑郁量表(HAMD)、抑郁快速評(píng)估量表(QIDS_SR)、特質(zhì)焦慮問(wèn)卷(T-AI)。其中貝克自評(píng)量表、抑郁快速評(píng)估量表(QIDS_SR)和特質(zhì)焦慮問(wèn)卷(T-AI)由被試自己填寫(xiě)，其他量表由醫(yī)生填寫(xiě)。抑郁癥未用藥組貝克自評(píng)量表平均分為16.43，高于于正常組的平均分，經(jīng)t檢驗(yàn)與正常組差異顯著。抑郁癥未用藥組與抑郁癥用藥組嚴(yán)重度評(píng)定表的平均分?jǐn)?shù)、漢密爾頓抑郁量表平均分?jǐn)?shù)、抑郁快速評(píng)估量表分?jǐn)?shù)、特質(zhì)焦慮問(wèn)卷平均分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1?？梢钥闯鲆钟舭Y用藥組的所有量表的平均分?jǐn)?shù)都低于抑郁癥未用藥組。這可能是藥物的療效。

2.2 EEG記錄與實(shí)驗(yàn)情況

被試者記錄EEG時(shí)，坐在柔軟的椅子上，室內(nèi)光線較弱，環(huán)境較安靜。記錄EEG時(shí)被試者閉眼，安靜地坐著。記錄時(shí)間為8 min。為了避免被試者受實(shí)驗(yàn)前事件或環(huán)境的刺激，分析數(shù)據(jù)時(shí)只選擇第5到第8分鐘的EEG進(jìn)行分析。記錄EEG使用的通道是10-20國(guó)際系統(tǒng)中的Fp1、Fp2、F3、F4、P3、P4共6個(gè)通道。其中Fp1、Fp2、F3、F4位于大腦前部額葉，P3、P4位于后部頂葉。Fp1、F3、P3分別于Fp2、F4、P4左右半球?qū)ΨQ位置。所有的電極與頭皮之間的阻值都在5 000 Ω以下。記錄EEG的設(shè)備為Brain Vision Recorder，采樣頻率為500 Hz。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析首先使用的是Brain Vision Analyser軟件。1)將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入該軟件;2)為設(shè)置參考電極，將Tp9、Tp102通道設(shè)置為參考電極;3)眼電糾正，將眨眼或眼動(dòng)帶來(lái)的肌電影響進(jìn)行糾正;4)偽跡去除，去除掉由于設(shè)備或被試者動(dòng)作帶來(lái)的偽差信號(hào);5)濾波，根據(jù)所要分析的信號(hào)頻率，適當(dāng)設(shè)定波形帶寬，濾除不必要的信號(hào);6)分段，根據(jù)標(biāo)志將要進(jìn)行進(jìn)一步分析的腦電信號(hào)提取出來(lái)，將截取8 minEEG的后3 min;7)快速傅里葉變換(FFT)，將時(shí)域的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域的信號(hào)。FFT后的單位為電壓密度;8)劃分頻帶并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。頻帶是這樣劃分的：delta頻帶(0.5～3.5 Hz)， theta頻帶(4～7 Hz)， alpha1頻帶(7.5～9.5 Hz)， alpha2頻帶(10～12 Hz)，beta1頻帶(13～23 Hz)，beta2頻帶(24～34 Hz)， gamma頻帶(35～45 Hz)。圖1表示各個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)的電壓密度，之后將各個(gè)頻帶的面積分別導(dǎo)出。

利用各個(gè)通道EEG快速傅里葉變換后各個(gè)頻帶的電壓密度值分別計(jì)算(Fp1-P3)/P3、(F3-P3)/P3、(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4以比較大腦前后部信號(hào)比的變化。其中(Fp1～P3)/P3、(F3-P3)/P3值的正負(fù)可以比較左半球腦前后部電活動(dòng)的強(qiáng)弱，(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4值的正負(fù)可以比較右半球前后部電活動(dòng)的強(qiáng)弱。最后用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 EEG快速傅里葉變換并且劃分7個(gè)頻帶后頻譜圖

Fig.1FFTbasedvoltagedensityinsevenfrequencybands

3 結(jié)果分析

表2可以看出正常組的分析結(jié)果。除了alpha2頻帶(F3-P3)/P3的平均值為負(fù)，(F4-P4)/P4的值為負(fù)外，其他各頻帶的平均值都為正。這表明正常人腦前部的電壓密度大于腦后部的電壓密度，腦前部的神經(jīng)電活動(dòng)強(qiáng)于腦后部。

表3為抑郁癥未用藥組的分析結(jié)果，除了alpha2頻帶的(F4-P4)/P4為0，delta頻帶的(F4-P4)/P4為0.266，gamma頻帶的(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4分別為0.708、0.085外，其他大部分均值都為負(fù)值。這表明抑郁癥未用藥病人腦前部電壓密度小于腦后部的電壓密度，腦前部的神經(jīng)電活動(dòng)弱于腦后部。表4為抑郁癥用藥組的分析結(jié)果，每個(gè)頻帶都有負(fù)值和正值。并且(Fp1-P3)/P3、 (F3-P3)/P3、(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4這幾項(xiàng)計(jì)算中數(shù)值也有正有負(fù)，但是正值的地方比抑郁癥未用藥組多，比正常組少。表2～4中括號(hào)內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差。

表2 正常組各頻帶前后部電壓密度比較

表3 抑郁癥未用藥組各頻帶前后部電壓密度比較

表4 抑郁癥用藥組各頻帶前后部電壓密度比較

本研究使用t檢驗(yàn)探索正常組與抑郁癥未用藥組的差異、正常組與抑郁癥用藥組的差異。從表5可以看出正常組與抑郁癥未用藥組大部分頻帶存在顯著差異，特別是右側(cè)的(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P42項(xiàng)差異顯著的頻帶較多。這表明正常人的前后部腦活動(dòng)與抑郁癥病人存在顯著差異，正常人腦前部較腦后部神經(jīng)電活動(dòng)較強(qiáng)，抑郁癥病人則相反，腦前部較腦后部神經(jīng)電活動(dòng)較弱。從表6可以看出正常組與抑郁癥用藥組有些頻帶存在顯著差異，與表5相比，這些差異的地方就少多了。這可能表明抑郁癥用藥組由于藥物治療的作用，與未用藥組相比，前后不對(duì)稱性情況有所改善。

表5 正常組與抑郁癥未用藥組在各個(gè)頻帶t檢驗(yàn)結(jié)果

注：*表示P值小于0.05，差異顯著。

表6 正常組與抑郁癥用藥組在各個(gè)頻帶t檢驗(yàn)結(jié)果

注：*表示P值小于0.05，差異顯著。

本研究主要通過(guò)比較抑郁癥未用藥組、抑郁癥用藥組和正?？刂平M的前后部腦電活動(dòng)的差異進(jìn)行了比較。 結(jié)果表明正常人腦前部神經(jīng)電活動(dòng)強(qiáng)于腦后部。抑郁癥未用藥病人腦前部神經(jīng)電活動(dòng)弱于腦后部。抑郁癥用藥病人腦前部生物電活動(dòng)弱于腦后部，但比未用藥抑郁癥病人的這種不對(duì)稱性減弱。研究發(fā)現(xiàn)單相抑郁癥與前部腦區(qū)左半球相對(duì)右半球活動(dòng)下降存在聯(lián)系[4]。臨床抑郁癥病人比正常人相對(duì)而言，顯示左前額活動(dòng)下降[5]。有研究認(rèn)為抑郁癥的alpha頻帶腦神經(jīng)電活動(dòng)的在前部的左右不對(duì)稱性反映了個(gè)體的某種情感風(fēng)格和動(dòng)機(jī)偏見(jiàn)[8]。左前部EEG偏側(cè)(左前部比右前部腦活動(dòng)強(qiáng))可能與接近動(dòng)機(jī)和積極情感的行為有關(guān)，而那些顯示右前部EEG偏側(cè)(右前部比左前部腦活動(dòng)強(qiáng))可能與退縮和消極情感相聯(lián)系的行為有關(guān)[9]。有研究表明前部靜息態(tài)EEG不對(duì)稱對(duì)成年人同時(shí)存在的情感障礙敏感而且可能是青年人處于情感障礙危險(xiǎn)時(shí)的特征[10]。另外還有研究認(rèn)為，根據(jù)社會(huì)因素理論，慢性壓力和其它逆境與低社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位對(duì)抑郁癥的發(fā)生聯(lián)系起來(lái)。根據(jù)社會(huì)選擇理論，生物的和環(huán)境的因素對(duì)抑郁癥的發(fā)生有貢獻(xiàn)，反之導(dǎo)致社會(huì)趨勢(shì)向更低的社會(huì)經(jīng)濟(jì)階層轉(zhuǎn)變。已有發(fā)現(xiàn)對(duì)這兩種觀點(diǎn)都支持[11]。存在類人猿的證據(jù)表明壓力能導(dǎo)致神經(jīng)傳遞功能偏側(cè)性的改變，這種功能表現(xiàn)為與焦慮相目前抗抑郁劑在治療抑郁癥中扮演著重要角色。本研究中抑郁癥用藥組在腦前后部神經(jīng)電活動(dòng)比值中負(fù)值數(shù)目少于抑郁癥未用藥組的結(jié)果，這應(yīng)該是抗抑郁劑的治療作用的表現(xiàn)。EEG被認(rèn)為是預(yù)測(cè)治療效果特別有用的技術(shù)，它對(duì)抗抑郁劑的起效過(guò)程很敏感[12]。本研究中對(duì)抑郁癥病人腦前后部神經(jīng)電活動(dòng)比值與正常人存在差異的發(fā)現(xiàn)，用于抗抑郁劑療效的預(yù)測(cè)也是可行和方便的，并且這個(gè)發(fā)現(xiàn)有益于抑郁癥計(jì)算機(jī)自動(dòng)診斷的實(shí)現(xiàn)。關(guān)行為有關(guān)[13]，而抑郁癥最明顯的癥狀就是焦慮。一個(gè)研究從相關(guān)和多重回歸結(jié)果看來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位對(duì)前部腦偏側(cè)化存在直接原因效應(yīng)，而母親抑郁史僅有弱的直接效應(yīng)[14]，表明遺傳因素并不是引起抑郁癥的主要因素。還有研究發(fā)現(xiàn)存在大量的因素并非慢性的壓力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位能對(duì)腦產(chǎn)生偏側(cè)化相關(guān)。這些因素包括母親的溫暖，同伴群體的不穩(wěn)定，社會(huì)支持，和認(rèn)知刺激[15]。本研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者的左右大腦的前后部不對(duì)稱性都與正?？刂平M有差別，左半球的前部活動(dòng)弱于后部腦活動(dòng)，可能反映了抑郁癥在接近動(dòng)機(jī)和積極情感方面的削弱；而右半球的前部活動(dòng)也要弱與后部腦活動(dòng)，這可能反映了抑郁癥的高焦慮程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

功率與電壓密度都可以將靜息態(tài)EEG做FFT后得到，都能劃分出alpha、beta等頻帶，但是電壓密度在數(shù)值上遠(yuǎn)大于功率，這樣在進(jìn)一步分析計(jì)算時(shí)，不用取對(duì)數(shù)，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理。與以往研究多使用功率值不同，本研究采用電壓密度分析腦電信號(hào)的強(qiáng)度。盡管已有大量研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥在左右半腦前部的不對(duì)稱性，但是是否在前后部不對(duì)稱性上抑郁癥與正常人存在差異，還缺乏相應(yīng)的腦電證據(jù)。未來(lái)將進(jìn)一步探討本結(jié)論的穩(wěn)定性，即時(shí)間上的持續(xù)性，也將針對(duì)抑郁癥的焦慮程度對(duì)抑郁癥的EEG進(jìn)一步分析，以確定具有診斷和療效預(yù)測(cè)的EEG指標(biāo)。

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