運(yùn)動及想象運(yùn)動時Mu波自相關(guān)研究

陳志華，王大鵬(大連交通大學(xué)軟件學(xué)院，遼寧大連116028)*

運(yùn)動及想象運(yùn)動時Mu波自相關(guān)研究

陳志華，王大鵬
(大連交通大學(xué)軟件學(xué)院，遼寧大連116028)*

為尋找當(dāng)受試者真實(shí)運(yùn)動和想象運(yùn)動時Mu波的自相關(guān)規(guī)律，收集了20位受試者(男女各十人)的C3，C4，T3，T4腦電極Mu波數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:①無論真實(shí)手動或想象手動，男生的Mu波自相關(guān)系數(shù)普遍大于女生.②對于所有受試者左手真實(shí)手動的自相關(guān)系數(shù)普遍大于左手想象運(yùn)動，但右手沒有相應(yīng)的規(guī)律.③僅僅通過比較自相關(guān)系數(shù)無法辨別想象運(yùn)動的方向.本次實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了“Mu波抑制”現(xiàn)象與受試者性別、慣用手有關(guān)聯(lián).

Mu波; Mu波抑制;運(yùn)動想象;自相關(guān); EEG

0 引言

Mu波也叫Mu節(jié)律，在19世紀(jì)50年代被發(fā)現(xiàn)［1］.起初，由于Mu波只能在一部分人腦檢測到，Mu波沒有得到足夠的重視［2］.然而，新的和更精密的技術(shù)表明: Mu波信號在幾乎所有的健康成年人的腦皮層都能被檢測到［3］.Mu波的頻率在8～12 Hz，當(dāng)進(jìn)行神經(jīng)活動時，Mu波明顯增強(qiáng)，當(dāng)進(jìn)行物理運(yùn)動時Mu波會明顯衰退［4-6］.有觀點(diǎn)認(rèn)為Mu節(jié)律是大腦運(yùn)動皮層的椎體神經(jīng)元同步活動的電信號［7］.同時它也被認(rèn)為是對鏡像神經(jīng)元的反映［8］.Mu波具有與Alpha波相似的頻率，因此有學(xué)者認(rèn)為Mu波是Alpha波的變形.然而，Alpha波在人閉眼時可以在大腦多個區(qū)域明顯檢測到，而Mu波主要是在感覺運(yùn)動皮層(功能是協(xié)調(diào)肌肉運(yùn)動和知覺以及控制關(guān)節(jié)運(yùn)動).感覺運(yùn)動皮層包括初級運(yùn)動皮層和初級感覺皮層.大致位于人兩耳之間的頭頂區(qū)域.

Mu波抑制現(xiàn)象是指當(dāng)受試者有運(yùn)動行為時，Mu波振幅明顯減弱的現(xiàn)象.Mu波抑制現(xiàn)象出現(xiàn)的前提不僅是真實(shí)的運(yùn)動行為，研究表明，想象運(yùn)動同樣可以導(dǎo)致Mu波抑制［9］.Mu波抑制受到性別、慣用手的影響［10-11］.

1 方法

自相關(guān)，又被稱為“滯后相關(guān)”或“序列相關(guān)”，是指信號在一個時刻的瞬時值與另一個時刻的瞬時值之間的依賴關(guān)系，是對一個隨機(jī)信號的時域描述.自相關(guān)函數(shù)是一常見的數(shù)學(xué)方法，在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.在信息分析中，通常將自相關(guān)函數(shù)稱之為自協(xié)方差方程.用來描述信息在不同時間間隔下，信息函數(shù)值的相關(guān)性.

給定連續(xù)信號f( t)，時間間隔τ連續(xù)自相關(guān)函數(shù)

對于離散信號{ xn}，在時間間隔j下，離散自相關(guān)函數(shù)公式為:

計算自相關(guān)系數(shù)公式為:

自相關(guān)系數(shù)的變化范圍由－1～+ 1，－1表示完全負(fù)相關(guān)，+1代表完全正相關(guān).

2 實(shí)驗(yàn)

2.1受試者

本次實(shí)驗(yàn)共有20名受試者，男女各10名，年齡在20～25歲之間.所有的受試者均為右利手，身體健康，無腦疾病史.實(shí)驗(yàn)前受試者清洗頭部以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)過程中，受試者被要求保持軀干靜止以防止產(chǎn)生腦電偽差.

2.2實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)器具除專用腦電收集儀器外，有扶手椅一把、電腦顯示器一臺.實(shí)驗(yàn)開始前，受試者自然坐在于扶手椅，面向顯示器，顯示器距離受試者約50 cm，兩手自然放在操作臺上，實(shí)驗(yàn)中受試者被要求避免眨眼及大幅度軀體運(yùn)動.實(shí)驗(yàn)開始前，受試者被要求閉眼放松30 s.

實(shí)驗(yàn)分為四部分:左手運(yùn)動、右手運(yùn)動、想象左手運(yùn)動、想象右手運(yùn)動.四部分實(shí)驗(yàn)依次進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)開始，受試者睜眼，電腦屏幕依次出現(xiàn)5 s空白，6 s十字號(準(zhǔn)備標(biāo)志)，3 s箭頭，以及停止符(詳見圖1).在四部分實(shí)驗(yàn)中，箭頭會依次指向左、右、左、右，受試者根據(jù)箭頭方向，分別左手手指輕叩桌面，右手手指輕叩桌面，想象左手手指輕叩桌面，想象右手手指輕叩桌面.在兩部分實(shí)驗(yàn)之間，有10 s的休息時間.此期間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)者會會對受試者進(jìn)行提示.

圖1 手動及想象手動實(shí)驗(yàn)流程

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集分析儀器是: Neurofax EEG－9100K ( NKC，Japan).實(shí)驗(yàn)中，腦電電阻被控制在5 kΩ下，采樣頻率設(shè)定為1 000 Hz，信號過濾頻率設(shè)定為0.1～30 Hz.實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的腦電偽跡由一位資深教授處理.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集采用19道導(dǎo)聯(lián)方式，腦電極設(shè)置按國際腦電圖學(xué)會聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)電極安裝法10－20系統(tǒng)的導(dǎo)聯(lián)位置，導(dǎo)聯(lián)電極為Fpl、FpZ、Fz、F3、F4、Cz、C3、C4、Pz、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T3、T4、T5和T6，奇數(shù)表示大腦左側(cè)，偶數(shù)表示大腦右側(cè).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組要采用了C3 C4 T3 T4四組腦電極，原因是這四組腦電極的位置對應(yīng)于Mu波出現(xiàn)的運(yùn)動想象皮層.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被取出后，導(dǎo)入MATLAB分析.

取出每組實(shí)驗(yàn)的前0.2 s(包含200個數(shù)據(jù)點(diǎn))進(jìn)行分析，由于Mu波信號的周期性，自相關(guān)系數(shù)也應(yīng)該呈現(xiàn)類周期性變化.自相關(guān)系數(shù)將會從1開始下降后再上升，同時，由于Mu波抑制，自相關(guān)系數(shù)再次上升的頂點(diǎn)不會到達(dá)1.選取第一次上升的頂點(diǎn)作為自相關(guān)系數(shù).由Mu波的周期性可知，該頂點(diǎn)對應(yīng)的時間點(diǎn)為Mu波的周期時間(自相關(guān)點(diǎn)的選擇見圖2).

圖2 自相關(guān)系數(shù)隨時間的變化曲線

觀察所有20個結(jié)果，周期時間均在0.1s附近.這與Mu波的頻率在10Hz的前提相吻合［13］.根據(jù)性別不同分成兩組，求出每組平局值，見表1.

表1 男、女生組的平均值

3 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出三個結(jié)論:

( 1)通過表1對比，對于相同實(shí)驗(yàn)的相同腦電極，男生平均結(jié)果普遍大于女生.根據(jù)前人的研究，不同性別的神經(jīng)活動是有差異的.相比男性，在運(yùn)動狀態(tài)下，女性的Mu波更容易被抑制［13-14］.自相關(guān)系數(shù)反映了Mu波與其自身的相關(guān)性，如果Mu波抑制現(xiàn)象更強(qiáng)，自相關(guān)系數(shù)應(yīng)該更小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之吻合.因此，通過計算自相關(guān)系數(shù)，也驗(yàn)證了在運(yùn)動狀態(tài)下，女性的Mu波抑制程度超多男性這一結(jié)論;

( 2)觀察表格發(fā)現(xiàn)，無論男女在想象手動時的平均自相關(guān)系數(shù)總是低于真是手動的自相關(guān)系數(shù).根據(jù)Dennis J.McFarland在2000年的研究，通過分析運(yùn)動狀態(tài)和安靜狀態(tài)的能量譜、腦電地形圖以及通過主成分分析發(fā)現(xiàn):想象運(yùn)動在這三方面均小于真實(shí)運(yùn)動.本次實(shí)驗(yàn)通過計算自相關(guān)系數(shù)也驗(yàn)證了這一結(jié)論;

具體分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)比較PLM(真實(shí)左手手動) 和ILM(想象左手手動)時，無論男女，PLM(真實(shí)左手手動)的自相關(guān)系數(shù)普遍大于ILM (想象左手手動).

在男生組中C3，C4，T4腦電極達(dá)到了100%，T3腦電極也達(dá)到80%.女生組中也有類似的現(xiàn)象.然而當(dāng)對比PRM(真實(shí)右手手動)和IRM(想象右手手動)時，卻沒有類似的現(xiàn)象，無論男女組，PRM大于IRM的比率未超過60%.對于這一反常結(jié)果，研究者認(rèn)為與所有受試者均為右利手有關(guān).由于缺乏確切證據(jù)的支持，還需要進(jìn)一步的研究;

( 3)想象運(yùn)動的方向判別是當(dāng)前研究的熱點(diǎn).研究者希望通過Mu波自相關(guān)系數(shù)判別想象運(yùn)動的方向.按照電極的位置將電極分為兩組，C3，T3位于大腦左半部，T3，T4位于大腦右半部.研究者希望通過對比四組實(shí)驗(yàn)時左右兩側(cè)大腦自相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)在規(guī)律.然而，遺憾的是，除了當(dāng)女生想象左手運(yùn)動時，左側(cè)普遍高于右側(cè)，其他情況均呈現(xiàn)隨機(jī)性.研究者認(rèn)為單純的依靠比較兩側(cè)自相關(guān)系數(shù)是不能辨別想象運(yùn)動的方向.

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Mu Rhythm Auto-Correlative Research During Actual Movements and Motor Imagery

CHEN Zhihua，WANG Dapeng
( Software Institute，Dalian Jiaotong University，Dalian 116052，China)

The purpose of the experiment is to find the auto-correlation of Mu wave when the subject performs motor act or motor imagery.20 healthy subject Mu wave data ( 10 males and 10 females) are collected from the brain electrode C3，C4，T3 and T4.By calculating the autocorrelation coefficient of the Mu waves，it is found that ( i) No matter actual hand movement or imagined hand movement，and most of the male's autocorrelation coefficients are higher than female's.( ii) The auto-correlation coefficient of actual left-hand movement is always higher than imagined left-hand movement，but it is not similar for the right-hand.( iii) the direction of motor imagery cannot be judged only through comparing the autocorrelation.Through the study，it is also proved that Mu suppression is related to gender and handedness.

Mu wave; Mu suppression; motor imagery; autocorrelation;EEG

A

1673-9590( 2016) 01-0088-04

2014-09-23

陳志華( 1961－)，男，教授，博士，主要從事腦電波方面的研究

E-mail: zhc@ djtu.edu.cn.