急性中度飲酒對人體腦電信號(hào)的影響

邢麗冬，方得勝，錢志余，王 笑，金 帥

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

急性中度飲酒對人體腦電信號(hào)的影響

邢麗冬，方得勝，錢志余，王 笑，金 帥

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

分析志愿者在急性中度飲酒前后的腦電信號(hào)（EEG）變化，研究急性中度飲酒對人體健康的影響.基于Neuroscan腦電儀構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)時(shí)采集志愿者在急性中度飲酒前以及飲酒后2,h內(nèi)的腦電信號(hào)數(shù)據(jù).利用Curry7軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除偽跡；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)用Matlab中的EEG工具包用小波變換的方式進(jìn)行特征波形的相對功率計(jì)算.得到各個(gè)頻段（α波、β波、θ波）的功率值在急性中度飲酒前后都有不同程度的變化，在低頻段（θ波）表現(xiàn)得尤其明顯，在飲酒后1,h達(dá)到峰值.由各頻段功率值計(jì)算得到的疲勞因子R值，與低頻段變化趨勢基本一致.急性中度飲酒前后大腦疲勞度沒有瞬時(shí)的變化.大腦疲勞度在急性中度飲酒后1,h達(dá)到峰值，并在之后逐漸衰減，直到酒后2,h基本恢復(fù)正常水平.

急性中度飲酒；EEG；疲勞因子R值

酒精的藥理作用具有雙面性［1］.研究表明，急性少量飲酒可以促進(jìn)大腦瞬時(shí)的興奮，減少大腦對事件的響應(yīng)時(shí)間；而慢性長期的飲酒會(huì)對大腦神經(jīng)系統(tǒng)造成傷害［2］.過度攝入酒精，影響人體的免疫、內(nèi)分泌、神經(jīng)系統(tǒng)，還會(huì)導(dǎo)致酒精依賴.在年輕人尤其在校大學(xué)生中，過度飲酒的現(xiàn)象正在逐漸增加；而過度飲酒人群與一些社會(huì)上的負(fù)面現(xiàn)象息息相關(guān)［3］.因此，對不同程度飲酒對人體健康的影響進(jìn)行定量研究，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)人們健康飲酒顯得尤其重要.

國內(nèi)外學(xué)者對飲用酒精對人腦認(rèn)知功能的影響已展開了相關(guān)研究.Sabia等［4］提出，在大于36歲的男性個(gè)體中過度飲酒人群的記憶力下降速度明顯高于適度和低度飲酒的下降速度.Ewing等［5］通過統(tǒng)計(jì)PubMED數(shù)據(jù)庫中fMRI和MRI的數(shù)據(jù)，得出飲酒會(huì)對青少年的大腦結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生一定影響的結(jié)論.Oscar-Berman等［6］提出，酒精對大腦功能的影響直接體現(xiàn)在細(xì)胞對神經(jīng)系統(tǒng)的刺激.對于急性飲酒對認(rèn)知功能的影響，Michael等［7］認(rèn)為，急性少量的飲酒能促進(jìn)大腦的興奮，特別是在大腦的前額葉.連耿鵬［8］認(rèn)為對活體腦內(nèi)組織的代謝情況的定量分析可以用磁共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是時(shí)間較長.余林蔓等［9］分析了酒精依賴患者的腦電圖，認(rèn)為酒精對腦細(xì)胞有直接毒性作用，腦電信號(hào)（EEG）作為研究腦功能的重要手段，是腦細(xì)胞功能的最直接反映.

回顧以往研究，對慢性長期飲酒以及酒精依賴的群體研究居多，對急性飲酒又多是AUDIT認(rèn)知表［10］等定性實(shí)驗(yàn).因此，需要更加科學(xué)以及準(zhǔn)確的研究方法來分析急性飲酒對大腦認(rèn)知功能的影響.本文根據(jù)實(shí)時(shí)采集志愿者在急性中度飲酒前后的EEG，分析各個(gè)頻段的功率變化，計(jì)算疲勞因子R值來評估大腦疲勞變化情況.

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1志愿者

共20名志愿者參與了本實(shí)驗(yàn)，其中男性15人次，女性5人次.20名志愿者均是來自南京航空航天大學(xué)的在校大學(xué)生，無酒精過敏，無酒精依賴，在實(shí)驗(yàn)開始之前24,h內(nèi)均未攝入酒精.另外，20名志愿者均通過了簡易精神狀態(tài)檢查（mini-mental state examination，MMSE）［11］的精神評估，19名志愿者的問卷得分為30，1名志愿者為29分.問卷總得分30，評分29及以上認(rèn)為認(rèn)知功能正常.

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采集腦電信號(hào)采用的是便攜式40導(dǎo)Neuroscan腦電儀，采樣頻率1,000,Hz，采用國標(biāo)10～20導(dǎo)聯(lián)分布，30個(gè)電極用于采集腦電信號(hào)，4個(gè)電極用于去除眼電干擾，實(shí)驗(yàn)過程中各電極的電阻阻值保持在5.0,k?以下.腦電信號(hào)的采集與處理的軟件為Curry7，版本號(hào)為7.07.

CA2000型呼氣式酒精檢測儀，用于測試呼氣酒精濃度，通過換算可得到血液酒精濃度.

1.3飲酒量計(jì)算

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19522—2010，每名志愿者飲酒量計(jì)算式為

式中：酒精密度=0.8,g/mL；酒精攝入量按中度飲酒每1,kg體重?cái)z入0.45,g［12］計(jì)算，即每100,mL血液中酒精含量為50,mg，在我國酒駕標(biāo)準(zhǔn)［13］（血液酒精濃度20,mg/100,mL～80,mg/100,mL）的范圍之內(nèi).

1.4實(shí)驗(yàn)流程

每例實(shí)驗(yàn)的開始時(shí)刻為下午兩點(diǎn)，并且在固定的封閉環(huán)境下進(jìn)行，志愿者在實(shí)驗(yàn)開始之前的24,h內(nèi)禁止酒精的攝入.實(shí)驗(yàn)開始之后志愿者閱讀實(shí)驗(yàn)知情同意書，填寫包括體重等基本信息便于計(jì)算飲酒量，進(jìn)行MMSE測試.測試通過后進(jìn)行第1次實(shí)驗(yàn)：用呼氣酒精測試儀測試呼氣酒精濃度，在靜息狀態(tài)下采集腦電信號(hào)3,min，做神經(jīng)行為認(rèn)知狀態(tài)測試（neurobehavioral cognitive status examination，NCSE）［14］.飲酒時(shí)，按計(jì)算得到的飲酒量，給志愿者飲用白酒（42°（V/V）豐谷酒），飲酒的時(shí)間限制在1,min之內(nèi).立即重復(fù)第1次實(shí)驗(yàn)，之后每15,min測1次呼氣酒精濃度，每0.5,h重復(fù)1次實(shí)驗(yàn)，直到飲酒2,h后做最后1次實(shí)驗(yàn)結(jié)束.共得到6組采集數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括呼氣酒精濃度、腦電信號(hào)以及NCSE問卷得分.

1.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

腦電數(shù)據(jù)采集的過程受到生理活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)儀器的影響，存在偽跡，在參數(shù)計(jì)算之前對其進(jìn)行預(yù)處理.預(yù)處理所用的軟件為Neuroscan配套的Curry7，經(jīng)0.01～45,Hz帶通濾波，采用協(xié)方差的方法去除偽跡，并將幅值大于100,μV的作為壞區(qū)去除，最后將所有單個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加平均.將預(yù)處理后的腦電數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab的EEG工具包中，計(jì)算各個(gè)頻段的相對功率值.最后，使用SPSS軟件對得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1呼氣酒精濃度/血液酒精濃度（BrAC/BAC）

每個(gè)志愿者在急性中度飲酒前和飲酒后每15,min直到酒后2,h都測試1次呼氣酒精濃度，總計(jì)10次.20例志愿者每個(gè)時(shí)段的呼氣酒精濃度平均值如表1所示（飲酒前所有被試者的測試值都為0）.

呼氣酒精濃度和血液酒精濃度之間存在算換關(guān)系［15］，即

由式（2）計(jì)算得到的血液酒精濃度如表1所示.

表1　20例志愿者飲酒后各時(shí)段呼氣酒精濃度平均值和血液酒精濃度平均值Tab.1 Average BrAC and average BAC of 20 volunteers in each period after drinking

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們在急性中度飲酒結(jié)束后瞬時(shí)檢測呼氣酒精濃度，檢測到的值偏高.原因?yàn)镃A2000型呼氣式酒精檢測儀只能檢測志愿者當(dāng)時(shí)呼出氣體中的酒精分子含量，而飲酒后瞬時(shí)測量，志愿者食道中有較多的酒精，影響測得準(zhǔn)確值.在15,min后血液酒精濃度趨于平穩(wěn)下降，并在30,min后降到酒駕標(biāo)準(zhǔn)以下.但設(shè)備的精度有限，血液酒精濃度只作為一個(gè)參考指標(biāo)來評定處于酒駕標(biāo)準(zhǔn)以下時(shí)疲勞度的變化.

2.2EEG分析

正常腦電圖由不同頻率和振幅的混和波形組成，根據(jù)頻率的不同可分為4種波形［16］.α波（8～13,Hz）可在成年人清醒且閉目的時(shí)候檢測到，表現(xiàn)為正常成年人的腦電圖的基本節(jié)律；β波（14～30,Hz）在正常人情緒激動(dòng)或思維活躍的情況下出現(xiàn)；θ波（4～7,Hz）一般在成年人進(jìn)入瞌睡或者睡眠時(shí)出現(xiàn)，在頂葉區(qū)比較明顯；δ波（1～3,Hz）一般是兒童進(jìn)入深度睡眠時(shí)出現(xiàn)在枕葉與顳葉的特征波，本文未對δ波進(jìn)行分析.

本實(shí)驗(yàn)將20例志愿者在急性飲酒前、飲酒后、酒后30,min、酒后60,min、酒后90,min、酒后120,min的腦電數(shù)據(jù)（每例志愿者6組數(shù)據(jù)），按每個(gè)通道（腦電儀的電極）進(jìn)行疊加后導(dǎo)入Matlab軟件中的EEG工具包中進(jìn)行各頻段相對功率的計(jì)算，得到了20例志愿者的各通道中各頻段的相對功率的平均值.再將各通道（采集腦電信號(hào)的電極共30個(gè)）的值進(jìn)行平均，得到,α,波、β波、θ波的總體變化情況如圖1～圖3所示.

圖1　α波的相對功率Fig.1 Relative power of wave α

圖2　β波的相對功率Fig.2 Relative power of wave β

圖3　θ波的相對功率Fig.3 Relative power of wave θ

圖1、圖2、圖3中橫坐標(biāo)中，“-0”表示飲酒前，“+0”表示飲酒后即時(shí).

按時(shí)間軸對各個(gè)波段功率的變化進(jìn)行分析，得到以下結(jié)果.

-0～+0：急性中度飲酒前后各波段變化主要表現(xiàn)為α波功率的下降和β波功率的上升，而θ波的功率沒有明顯變化.酒精對大腦產(chǎn)生瞬時(shí)的興奮，使大腦出現(xiàn)大量的β波形，相對的α波形會(huì)減少.而在這個(gè)時(shí)間段，志愿者對睡眠的需求不大，θ波基本不變.

+0～30：急性中度飲酒后30,min內(nèi)，主要表現(xiàn)為β波功率的迅速減弱，酒精使人腦產(chǎn)生緊張和興奮的情緒逐漸減弱.而α波和θ波的功率值變化不明顯，基本維持在一個(gè)水平線上.

30～60：急性中度飲酒后30～60,min，主要表現(xiàn)為θ波和α波的功率值上升，酒精長時(shí)間的刺激，志愿者疲勞感上升，出現(xiàn)強(qiáng)烈困乏的感覺.而β波基本沒有出現(xiàn)，功率值維持在一個(gè)較低的水平.

60～90：急性中度飲酒后60～90,min，主要表現(xiàn)為θ波和α波的功率值下降.在這個(gè)時(shí)間段，志愿者的疲勞感得到相對的緩解，瞌睡的感覺逐漸減弱，情緒也逐漸恢復(fù).而β波功率值依然維持在一個(gè)較低的水平，解釋為這個(gè)時(shí)間段，緊張和興奮的感覺依舊很低.

90～120：急性中度飲酒后90～120,min，表現(xiàn)為β波的功率值的上升，思維開始活躍，但依舊沒有達(dá)到飲酒前水平，酒精對志愿者情緒的抑制作用明顯. α波和θ波的功率值有小幅度的上升，可能是長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較安靜導(dǎo)致志愿者產(chǎn)生一定的疲勞.

吳紹斌等［17］在研究駕駛疲勞時(shí)提出疲勞因子R值，可由式（3）計(jì)算得到.

式中Pα、Pθ、Pβ分別表示3個(gè)波段的相對功率.R值越大，表示疲勞等級(jí)越高.本實(shí)驗(yàn)中由各頻段功率譜比值計(jì)算得到的R值情況如圖4所示.

圖4　疲勞因子RFig.4 Fatigue factor R

志愿者在急性中度飲酒后的瞬間，疲勞等級(jí)沒有立即升高，反而有輕微的下降，由酒精刺激大腦瞬時(shí)興奮引起［18］.之后疲勞等級(jí)開始逐漸升高，直到飲酒后60,min達(dá)到最大值，之后開始下降，到飲酒后120,min基本與飲酒前水平一致.

2.3統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和主觀問卷

每例志愿者在飲酒后各個(gè)時(shí)段各個(gè)通道的值與飲酒前做配對t檢驗(yàn)，取特征值=0.05標(biāo)準(zhǔn)，得到各個(gè)波段中有顯著性差異的通道，具體情況見表2.

表2　統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical analysis

結(jié)果顯示在11個(gè)通道（T4，C3，TP2，F(xiàn)3，F(xiàn)T8，O1，O2，TP8，T5，Pz，Oz）存在顯著性差異，而T4和O2兩個(gè)通道各波段和R值均具有顯著性差異.說明R值在分析疲勞度上是具有參考價(jià)值的分析量.

2.4主觀問卷

在實(shí)驗(yàn)過程中對志愿者做NCSE問卷，共8個(gè)部分，包括10個(gè)項(xiàng)目，分別是：定向力（ORI）、注意力（ATT）、語言能力——理解（COMP）、復(fù)述（REP）、命名（NAM）、空間結(jié)構(gòu)能力（CONST）、記憶力（MEM）、計(jì)算能力（CALC）、推理判斷能力——類似性（SIM）、判斷力（JUD）.每個(gè)項(xiàng)目評級(jí)分為正常（0級(jí)）、輕度異常（1級(jí)）、中度異常（2級(jí)）、重度異常（3級(jí)）4個(gè)級(jí)別.TCD等級(jí)如表3所示.

表3　TCD等級(jí)Tab.3 Grade level of TCD

根據(jù)20例志愿者NCSE問卷的總得分情況，只有2例在急性中度飲酒后60,min出現(xiàn)了TCD等級(jí)為1級(jí)的輕度異常，得分分別為63和64，表現(xiàn)為ATT（注意力）項(xiàng)和CALC（計(jì)算能力）項(xiàng)的得分較低；其他均為正常即TCD等級(jí)為0級(jí).按飲酒后不同時(shí)段的總分與飲酒前總得分做配對t檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)均無特異性差異即特征值p均大于0.05，解釋為個(gè)體性差異［19］大引起.

單項(xiàng)測試結(jié)果中，每個(gè)單項(xiàng)按急性中度飲酒后時(shí)間分組，分別與飲酒前測試值做配對t檢驗(yàn)，得到特征值p小于0.05的只有ATT（注意力）項(xiàng)，其他均無特異性差異.ATT組統(tǒng)計(jì)學(xué)分析p值的具體情況如表4所示.

表4　ATT的p值Tab.4 p value of ATT

并且在ATT（注意力）項(xiàng)中，有3例在急性中度飲酒后30,min出現(xiàn)輕度異常；有7例在急性中度飲酒后60,min出現(xiàn)輕度異常；有2例在急性中度飲酒后90,min出現(xiàn)輕度異常.

3　結(jié)　語

急性中度飲酒后，血液酒精濃度下降的速度一開始會(huì)很迅速［20］，直到BAC下降到20,mg/100,mL之后開始緩慢下降，但這跟大腦疲勞度的變化關(guān)聯(lián)性并不大，并且在血液酒精濃度下降到酒駕標(biāo)準(zhǔn)之下后疲勞度反而還在上升.

飲酒前到飲酒后，酒精對大腦產(chǎn)生瞬時(shí)的興奮，β波的相對功率值上升，α波的相對功率值下降，而θ波在成年人睡覺時(shí)體現(xiàn)，所以這個(gè)時(shí)間段的變化不明顯.飲酒后到飲酒后1,h，酒精對大腦的持續(xù)刺激使大腦產(chǎn)生疲勞感，β波的相對功率值下降明顯，相反的α波和θ波的值上升，并在酒后1,h達(dá)到最大值，志愿者在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)會(huì)有瞌睡感.飲酒后1,h到飲酒后2,h，人體代謝作用對酒精的分解［21］使酒精對大腦的刺激減弱，同時(shí)α波和θ波的相對功率值下降，而β波的相對功率上升.

急性中度飲酒后大腦疲勞度的變化趨勢明顯，且在酒后的60,min達(dá)到最大值，與各波段功率的分析結(jié)果一致.

結(jié)合主觀問卷的結(jié)論，在急性中度飲酒后并不會(huì)對大腦的總體認(rèn)知功能產(chǎn)生損傷，由總分并沒有特異性差異得到結(jié)論.但是在影響大腦的注意力情況上有一定的表現(xiàn)，在酒后的30、60、90,min出現(xiàn)了不同程度的異常.結(jié)合疲勞因子R值在這個(gè)時(shí)間段超過正常30%,～60%,，故建議該時(shí)段不要做危險(xiǎn)性操作，風(fēng)險(xiǎn)性提升.

疲勞因子R值可有效分析志愿者在飲酒后大腦疲勞度的變化，是具有有效性的分析量.

本文在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上也存在一定的局限性，未考慮男女個(gè)體的差異，在飲酒量的選取上沒有梯度分級(jí)，只做了低度、中度、高度的大致區(qū)分，無法做到不同程度飲酒情況的比對，以后在各方面進(jìn)行改進(jìn)，以求得到更有說服力的結(jié)論.

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（責(zé)任編輯：趙艷靜）

Effects of Acute Moderate Alcohol Consumption on Human Brain Electrical Signal

Xing Lidong，F(xiàn)ang Desheng，Qian Zhiyu，Wang Xiao，Jin Shuai
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The EEG change of volunteers before and after acute moderate alcohol consumption was analyzed， and the effect of acute moderate alcohol consumption on human health was studied. All of the test system was set up based on the Neuroscan electroencephalograph. Real-time EEG data of volunteers were gathered before acute moderate alcohol consumption and two hours after drinking. After the artifact was removed with the software of Curry7， the EEG feature waves were extracted and the relative power of relevant EEG parameters were calculated with the method of wavelet transform by the software of Matlab. The power of each spectrum （α， β， θ） undergoes changes of different degree before and after acute moderate alcohol consumption， especially at low frequency（θ）， and a peak arises after drinking for an hour. The change of the fatigue factor R calculated by the power spectrum values is the same as that of the θ wave. The instantaneous change of brain fatigue does not occur before and after acute moderate alcohol consumption. After acute moderate alcohol consumption， brain fatigue rises slowly over time， the peak occurs in an hour after drinking， then gradually decreases and finally returns to normal two hours later.

acute moderate alcohol consumption；EEG；fatigue factor R

R318

A

0493-2137（2016）09-0961-06

10.11784/tdxbz201506035

2015-06-09；

2015-09-08.

科技部十二五國家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目（2012BAI23B07）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61171059）.

邢麗冬（1968— ），女，博士，副教授.

邢麗冬，xldnuaa@nuaa.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-09-28. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150928.1600.008.html.