酗酒者皮層腦電同步性分析

劉桂青 曹 銳 相 潔

(太原理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024)

酗酒者皮層腦電同步性分析

劉桂青 曹 銳 相 潔*

(太原理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024)

同步性可以度量不同腦區(qū)之間的相互作用，但目前對腦電的同步性研究多數(shù)是基于頭皮數(shù)據(jù)進(jìn)行的。腦電的容積導(dǎo)體效應(yīng)，可能導(dǎo)致頭皮電極之間出現(xiàn)偽相關(guān)，從而影響同步性的度量。實驗所用的數(shù)據(jù)集包括正常(28例)和酗酒(28例)兩類被試的61通道EEG時間序列，每一個被試參與3種條件的實驗任務(wù)：單刺激(S1)、雙刺激匹配(S2 match)、雙刺激不匹配(S2 no match)。利用eLoreta溯源技術(shù)，在大腦皮層上自定義了61個感興趣區(qū)域(ROI)，計算兩類被試之間的同步似然性，最后對酗酒被試和正常被試執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時的同步性差異進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行相同認(rèn)知任務(wù)時，酗酒被試全腦平均同步似然均小于正常被試，且在α、β1和θ波段上均有P<0.05，差異達(dá)到統(tǒng)計顯著。在執(zhí)行不同認(rèn)知任務(wù)時，正常被試的同步性可以準(zhǔn)確反映出不同認(rèn)知任務(wù)的復(fù)雜程度(S2 match > S2 no match > S1)，而酗酒被試的同步性則無規(guī)律變化。不同被試之間的區(qū)域MSL結(jié)果表明，在執(zhí)行S2 match任務(wù)時，酗酒被試多個區(qū)域MSL均小于正常被試，且在α波段上額葉、左顳葉、中央和右顳葉區(qū)均有P<0.05，差異達(dá)到統(tǒng)計顯著；在β1波段上，額葉區(qū)P<0.05，差異達(dá)到統(tǒng)計顯著；在β2波段上，額葉、左顳葉區(qū)均有P<0.05，差異達(dá)到統(tǒng)計顯著。研究結(jié)果表明，酗酒被試大腦不同區(qū)域之間的連接受到一定程度的損傷，這為研究酗酒引起的腦損傷提供一個新的角度和有力的證據(jù)。

酗酒者；皮層；EEG；同步性

引言

腦電圖可以準(zhǔn)確方便地記錄大腦神經(jīng)活動的電信號，并且采集方便、成本低廉，因此腦電信號的定量分析近年來在神經(jīng)退行性疾病[1](如酒精相關(guān)的腦損傷、阿爾茨海默病等)的研究中得到廣泛應(yīng)用。其中，酒精相關(guān)的腦損傷(alcoholic related brain damage，ARBD)是一種神經(jīng)退行性疾病，它作為酗酒所導(dǎo)致的結(jié)果，對患者及其家庭造成明顯的生理和心理上的傷害。酗酒會造成大腦神經(jīng)元的損傷，同時也抑制了成人神經(jīng)元的形成[2]。前期一些研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，長期酗酒會導(dǎo)致大腦的灰質(zhì)與白質(zhì)發(fā)生變化(白質(zhì)減少[3]，灰質(zhì)結(jié)構(gòu)改變[4])。不僅如此,長期酗酒也會造成記憶功能減弱[5]、執(zhí)行功能受損[6]和處理復(fù)雜事務(wù)速度變慢[7]等。

目前，越來越多的研究表明，大腦活動時，不同區(qū)域的神經(jīng)活動在各種空間和時間尺度上進(jìn)行了整合，即神經(jīng)生物學(xué)理論中的同步現(xiàn)象[8]，這種同步性也是大腦進(jìn)行信息整合和處理的主要潛在機(jī)制。臨床醫(yī)學(xué)中已發(fā)現(xiàn)，部分難以治愈的神經(jīng)性疾病均存在大腦整體或局部整合過程中的不足或異常。Mirowski等將腦電同步性方法運用于癲癇發(fā)作預(yù)測，并發(fā)現(xiàn)該方法優(yōu)于之前的預(yù)測方法[9]；李莉在癲癇患者與正常人的同步性研究中，發(fā)現(xiàn)癲癇患者的同步性高于正常人的同步性[10]；Ma等和李紅利等在阿爾茲海默癥的研究中，發(fā)現(xiàn)阿爾茲海默癥病人的同步性低于正常人的同步性[11-12]。用光學(xué)腦成像檢測靜息態(tài)下雙側(cè)語言皮質(zhì)活動的同步性，發(fā)現(xiàn)自閉癥兒童顯著低于正常兒童，兒童顯著低于成年人，男性比女性略低[13]。

雖然前人利用同步性對神經(jīng)退行性疾病的研究已經(jīng)較多，但目前利用同步性對酗酒的研究較少。本課題組之前已利用同步似然性對酗酒數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，并達(dá)到了良好的效果[14]。下面將通過同步性度量酗酒被試和正常被試之間的差異，進(jìn)一步揭示酗酒對大腦認(rèn)知功能的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本研究所用的數(shù)據(jù)來自于加州大學(xué)爾灣分校(University of California, Irvine)提供的用于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集記錄了酗酒者和正常人兩類被試的多通道EEG時間序列。實驗電極位置按照國際標(biāo)準(zhǔn)10-20系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，數(shù)據(jù)采集了兩類被試61通道的頭皮腦電，采樣率為256 Hz，較詳細(xì)的被試及數(shù)據(jù)描述可見文獻(xiàn)[15]。由于原始數(shù)據(jù)中存在被試按鍵響應(yīng)錯誤等，本研究對其進(jìn)行了篩選，最終選取了酗酒者與正常被試各28例數(shù)據(jù)，每一個被試有3種實驗條件(S1、S2 match、S2 no match)，每個數(shù)據(jù)長度為8 s(共2 048個時間點)。單刺激(S1)指呈現(xiàn)一幅圖片，且不需要被試響應(yīng)；雙刺激匹配(S2 match)會在短時間內(nèi)呈現(xiàn)兩幅相同圖片，而雙刺激不匹配(S2 no match)會在短時間內(nèi)呈現(xiàn)不同的兩幅圖片，這兩種刺激需要被試判斷兩幅圖片是否相同及按鍵響應(yīng)?？紤]到乳突參考電極是以小范圍的細(xì)節(jié)為代價強(qiáng)調(diào)了長距離的連接[16]，因此本研究中將參考電極轉(zhuǎn)為平均參考電極。

1.2 方法

1.2.1 同步似然性

目前，同步性常用的度量指標(biāo)有相關(guān)性、相干性等，但相關(guān)性、相干性等不適合分析快速變化、非穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，只適用于獲取時間序列之間的線性關(guān)系。也有利用非線性分析方法對腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的，如PLV、PLI。PLV的優(yōu)點在于它可以排除信號幅度的影響，只從相位上考慮兩個信號之間的同步性[17]。PLI在PLV的基礎(chǔ)上有一定的改進(jìn)，最大的優(yōu)點在于能有效地避免容積導(dǎo)體效應(yīng)[18]。盡管非線性的度量指標(biāo)也得到了一些新的發(fā)現(xiàn)，但是在EEG信號中并沒有發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的混沌；非線性分析方法作為線性分析方法的補(bǔ)充，可以挖掘更多的潛在信息，應(yīng)該是更為合理的手段[19]。Stam等提出了一個可以用來衡量系統(tǒng)之間廣義同步性的指標(biāo)，即同步似然性(SL)[20]。SL最大的優(yōu)點在于能夠同時度量時間序列間線性與非線性的關(guān)系，并且能夠快速度量非穩(wěn)定數(shù)據(jù)集的變化，不考慮時間序列間的因果關(guān)系而只考慮其間的耦合關(guān)系，對于噪聲干擾具有很好的魯棒性。因此，本研究用SL比較酗酒被試和正常被試的大腦同步性差異。

1.2.2 平均同步性計算

由于大腦是個容積導(dǎo)體，神經(jīng)元和體液均具有導(dǎo)電性能，因此一個頭皮上記錄點(電極)測量到的信號可能來自多個不同的源；而大腦中一個源的信號彌散到頭皮時，也會影響到多個記錄點(電極)的信號，從而使得本來無關(guān)的兩個電極之間出現(xiàn)偽相關(guān)性。所以，本研究采用溯源后大腦皮層上的EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行同步性分析，有效地減少了容積導(dǎo)體效應(yīng)帶來的影響。

本研究在eLoreta溯源的基礎(chǔ)上，通過在大腦皮層自定義ROI，度量ROI之間的同步性。具體過程如下：對采集到的頭皮EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，利用較新的eLoreta技術(shù)，將EEG信號源定位映射到大腦皮層，得到6 239個皮層體素上的神經(jīng)電信號，之后將其劃分到61個ROI；將61頭皮電極的坐標(biāo)分別作為61個ROI的初始中心點，根據(jù)每個體素的坐標(biāo)，結(jié)合最近鄰原則，將所有體素?zé)o重疊地分配到這些ROI上；計算每個ROI所屬體素神經(jīng)電信號的平均值，作為每個ROI的神經(jīng)電活動信號，即時間序列。此時，便可度量這些ROI之間的同步性，并計算全腦的平均同步性。

通過計算兩兩ROI之間的同步似然性，可以得到任意一個電極與其他所有電極同步似然性的平均值，作為該ROI的平均同步似然性(mean synchronization likelihood，MSL)。進(jìn)一步利用61個ROI的MSL，可計算得到全腦MSL；分配到6個腦區(qū)中，可計算得到區(qū)域MSL。該值用來表征某被試在執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時全腦或者區(qū)域的同步性活動程度。

1.2.3 小波包分解

在大腦中，不同的神經(jīng)元振蕩頻率與大腦的功能活動有著密切的聯(lián)系[21]，因此通常將腦電信號劃分為不同頻段對其進(jìn)行研究。本研究采用小波包分解(wavelet packet decomposition，WPD)[22]方法，將腦電數(shù)據(jù)分解為δ(0～4 Hz)、θ(4～7 Hz)、α(7～13 Hz)、β1(13～20 Hz)、β2(20～30 Hz)共5個頻段。

2 結(jié)果

2.1 不同被試之間全腦MSL對比

比較兩組被試在執(zhí)行相同的認(rèn)知任務(wù)時全腦MSL是否存在差異。由于兩組被試在執(zhí)行S1和S2 no match任務(wù)時無顯著差異，因此只呈現(xiàn)執(zhí)行S2 match任務(wù)時的結(jié)果(P<0.05，KS-test)，如圖1所示。

圖1 兩類被試執(zhí)行S2 match任務(wù)時MSL對比(★表示存在顯著性差異)Fig.1 The comparison of MSL when performing the S2 match task(★indicates a significant difference)

從圖1可以看出，酗酒的被試全腦MSL均小于正常被試，而且在α波段(P=0.021 0)、β1波段(P=0.021 0)和θ波段(P=0.043 8)，差異達(dá)到統(tǒng)計顯著。

2.2 不同認(rèn)知任務(wù)時全腦MSL變化趨勢分析

比較兩組被試在執(zhí)行不同認(rèn)知任務(wù)時，全腦MSL是否存在顯著差異。正常被試在執(zhí)行3種任務(wù)時，兩兩之間MSL的統(tǒng)計檢驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 正常被試執(zhí)行3種任務(wù)時全腦MSL差異性分析(★表示組間存在顯著性差異, P<0.05，KS-test)Fig.2 The difference analysis for the brain MSLs for the control group(★indicates a significant difference)

從圖2可以看出，在θ、α、β1和β2波段上，正常被試在執(zhí)行S2 match和S2 no match任務(wù)時的全腦MSL都大于執(zhí)行S1任務(wù)。具體統(tǒng)計檢驗結(jié)果為：θ波段上，S2 match(P=0.021 0)和S2 no match(P=0.043 8)的MSL顯著大于S1任務(wù)；α波段上，S2 match(P=0.009 3)和S2 no match(P=0.043 8)的MSL顯著大于S1任務(wù)。β1波段上，S2 match(P=0.021 0)和S2 no match(P=0.043 8)的MSL顯著大于S1任務(wù)；β2波段上，S2 match(P=0.084 4)和S2 no match(P=0.043 8)的MSL邊緣顯著大于S1任務(wù)。從以上結(jié)果可以看出，幾乎每個波段上的MSL都有S2 match > S2 no match > S1，這也許與任務(wù)的復(fù)雜性有一定的關(guān)系。

酗酒被試執(zhí)行3種任務(wù)時，兩兩之間MSL的統(tǒng)計檢驗結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，酗酒被試在執(zhí)行不同認(rèn)知任務(wù)時，全腦MSL只在θ波段差異達(dá)到統(tǒng)計顯著。具體檢驗結(jié)果為：S2 match(P=0.043 8)和S2 no match(P=0.043 8)的MSL均顯著大于S1任務(wù)的MSL。

圖3 酗酒被試執(zhí)行3種任務(wù)時全腦MSL差異性分析(★表示組間存在顯著性差異, P<0.05，KS-test)Fig.3 The difference analysis for the brain MSLs for the alcoholic group(★indicates a significant difference)

2.3 不同被試之間區(qū)域MSL分析

前面的研究是基于被試全腦的平均同步似然性的，從之前的結(jié)果可以看出，酗酒被試與正常被試的全腦MSL在多個波段和多個任務(wù)上均存在顯著性差異。為了進(jìn)一步分析兩組被試之間出現(xiàn)差異的區(qū)域特性，本研究將溯源后的ROI分為6個區(qū)域，分別計算每個區(qū)域的MSL，并分析每個區(qū)域上兩組被試之間的差異情況。本研究在劃分區(qū)域時參考了Stam的研究[23]，將ROI劃分為6個區(qū)域，分別為額葉區(qū)(frontal)、左顳葉區(qū)(left temporal area)、中央?yún)^(qū)(central area)、右顳葉區(qū)(right temporal)、頂葉區(qū)(parietal area)和枕葉區(qū)(occipital area)。

兩組被試在執(zhí)行S1和S2 no match任務(wù)時無顯著差異，只有執(zhí)行S2 match任務(wù)時在α、β1和β2波段上呈現(xiàn)顯著性差異。

從圖4可以看出，酗酒被試6個區(qū)域MSL均小于正常被試，而且在額葉(P=0.018 7)、左顳葉(P=0.042 0)、中央(P=0.042 0)和右顳葉(P=0.018 7)區(qū)域差異達(dá)到統(tǒng)計顯著。

圖4 兩類被試執(zhí)行S2 match任務(wù)時α波段區(qū)域MSL差異性分析(★表示組間存在顯著性差異, P<0.05，KS-test)Fig.4 The difference analysis for the region MSLs when performing the S2 match task of α band(★indicates a significant difference)

從圖5可以看出，酗酒被試6個區(qū)域的MSL均小于正常被試，而且在額葉(P=0.018 7)區(qū)域差異達(dá)到統(tǒng)計顯著。

圖5 兩類被試執(zhí)行S2 match任務(wù)時β1波段區(qū)域MSL差異性分析(★表示組間存在顯著性差異)Fig.5 The difference analysis for the region MSLs when performing the S2 match task of β1 band(★indicates a significant difference)

從圖6可以看出，酗酒被試6個區(qū)域的MSL均小于正常被試，而且在額葉(P=0.018 7)、左顳葉(P=0.042 0)區(qū)域差異達(dá)到統(tǒng)計顯著。

圖6 兩類被試執(zhí)行S2 match任務(wù)時β2波段區(qū)域MSL差異性分析(★表示組間存在顯著性差異)Fig.6 The difference analysis for the region MSLs when performing the S2 match task of β2 band(★indicates a significant difference)

3 討論

本研究為了避免頭皮腦電信號之間存在的偽相關(guān)，利用皮層腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行同步性度量，這種較新的方法在目前的研究中比較少見。筆者進(jìn)行了大膽的嘗試，得出了較好的結(jié)果。皮層腦電同步性統(tǒng)計結(jié)果顯示，執(zhí)行S2 match任務(wù)時，在θ、α和β1波段上，酗酒被試全腦MSL均顯著小于正常組，如圖1所示。有學(xué)者在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，酗酒被試同步性在α2和β1波段上的統(tǒng)計分析結(jié)果顯著小于正常被試[15]。執(zhí)行相同任務(wù)時酗酒者同步性的減弱，意味著大腦內(nèi)部不同區(qū)域之間的連接減少，而腦區(qū)之間的連接是大腦認(rèn)知功能的基礎(chǔ)，因此連接的減少意味著大腦功能受到了一定的損傷。兩組被試在執(zhí)行不同認(rèn)知任務(wù)時全腦MSL差異結(jié)果顯示，正常被試在θ、α、β1和β2波段上執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)(S2 match和S2 no match)的全腦MSL顯著大于執(zhí)行簡單任務(wù)(S1)，但酗酒被試僅在θ波段上執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時的全腦MSL顯著大于執(zhí)行簡單任務(wù)，如圖2、3所示。在執(zhí)行不同復(fù)雜程度的認(rèn)知任務(wù)時，正常被試全腦MSL幾乎在所有波段上都有顯著差異，意味著正常被試的全腦MSL能夠更清晰地反映出不同認(rèn)知任務(wù)之間復(fù)雜性；酗酒被試只在個別波段上有顯著差異，意味著酗酒被試的全腦MSL變化無規(guī)律。筆者的前提假設(shè)是復(fù)雜性不同的認(rèn)知任務(wù)導(dǎo)致被試全腦MSL不同，并且正常和酗酒被試應(yīng)表現(xiàn)不同的差異，而本研究的結(jié)果與這前提假設(shè)一致。

Cao利用該數(shù)據(jù)集研究發(fā)現(xiàn)，酗酒者可能局部連接受損而增加了一些長連接[24]。在此基礎(chǔ)上，本研究提出將大腦區(qū)域化，進(jìn)一步分析兩組被試之間出現(xiàn)差異的區(qū)域特性，區(qū)域分析結(jié)果如圖4～6所示。執(zhí)行S2 match任務(wù)時，在α、β1和β2波段上，酗酒被試多個區(qū)域上MSL均顯著小于正常被試，并且多個波段上呈現(xiàn)的差異區(qū)域均包含了額區(qū)，這與Singh等人利用該數(shù)據(jù)集的研究結(jié)果[25]是一致的，或許是由于大腦額區(qū)與執(zhí)行功能高度相關(guān)所致。執(zhí)行相同任務(wù)時，酗酒者多個區(qū)域同步性減弱，意味著大腦內(nèi)部多個區(qū)域受損，意味著大腦多個區(qū)域的功能都存在不同程度的損傷?？梢钥闯?，該結(jié)果與之前全腦同步性分析結(jié)果的結(jié)論較一致。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果為：不同被試執(zhí)行相同認(rèn)知任務(wù)時，酗酒被試的全腦MSL低于正常被試，進(jìn)一步劃分腦區(qū)也表明酗酒被試的多個區(qū)域MSL均低于正常被試；執(zhí)行不同認(rèn)知任務(wù)時，正常被試的全腦MSL隨著任務(wù)復(fù)雜性的增大而增加，而酗酒者的全腦MSL的變化無規(guī)律。以上結(jié)果均說明，正常被試的全腦MSL變化能更為清晰地表明認(rèn)知任務(wù)的復(fù)雜性，而酗酒被試可能由于大腦認(rèn)知功能受損導(dǎo)致其全腦MSL不能準(zhǔn)確反映出認(rèn)知任務(wù)的復(fù)雜性。本研究從一個全新的視角，為長期酗酒導(dǎo)致大腦認(rèn)知功能受損又提供了一個新的依據(jù)。

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Synchronization in Alcoholics Using Cortical EEG

Liu Guiqing Cao Rui Xiang Jie*

(DepartmentofComputerScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Synchronization can measure the interaction between different brain regions. However, existing synchronization analyses on EEG synchronization are almost all based on the scalp EEG data. Due to the volume conductor effect, pseudo relevance between the scalp electrodes may occur, which further affects the measurement of synchronization. In this study, we selected the 61 channel EEG time series data of both the control subjects (28) and the alcoholics (28). For each trial, the subject was exposed to one of the following three different stimuli: a single stimulus (S1), two matched stimuli (S2 match), or two non-matched stimuli (S2 no match). The study used eLoreta and the self-defined 61 ROI (regions of interested) in the cerebral cortex. The synchronization between ROIs and the synchronization difference between alcoholic subjects and controls (non-alcoholics) during certain cognitive tasks were measured. Results indicated that the synchronization for the alcoholic group was lower than in the control group when performing the same cognitive task, the difference was statistically significant with α, β1 and θ band (P<0.05). The synchronization for the control group can reflect the complexity levels of the cognitive tasks (S2 match > S2 no match > S1), whereas the alcoholics only displayed erratic changes when the different cognitive tasks performed. The brain regional MSL between different subjects indicated that the alcoholic group was lower than control group when the S2 match performed，and in α band, frontal, left temporal area, central and right temporal area have significant differences (P<0.05); in β1 band, frontal showed significant differences (P<0.05); in β2 band, both frontal and left temporal area showed significant differences (P<0.05). These results indicate that in alcoholics, brain synchronization was reduced, and the connection between different brain regions was inhibited, meaning brain cognitive function is impaired. Our research provides indicated that long-term alcoholism causes functional damage to the brain from an entirely new perspective.

alcoholics; cortical;EEG;synchronization

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 06.005

2016-01-04， 錄用日期:2016-07-23

國家自然科學(xué)基金(61373101); 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室開放課題(BUAA-VR-15KF-16);山西省教育廳高等學(xué)校科技創(chuàng)新項目(2015124)

R318

A

0258-8021(2016) 05-0671-06

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: xiangjie@tyut.edu.cn