不同意識任務(wù)中心腦間譜相干分析

于曉琳，張 崇，蘇龍飛，饒妮妮

(1.電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 610054；2.武警警官學(xué)院信息工程系 成都 610213)

腦活動如情感波動和精神壓力均能導(dǎo)致心律失常和突然死亡，這一過程中大腦不同皮層和皮下層區(qū)域?qū)π呐K功能的影響受到關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn)刺激腦皮層能引起自主神經(jīng)系統(tǒng)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致心率和血壓的變化[1]。

自主神經(jīng)的調(diào)節(jié)與腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)間存在著復(fù)雜的相互作用機制。對人和動物的大量研究發(fā)現(xiàn)，與自主神經(jīng)相聯(lián)系的大腦皮層位于前腦區(qū)域或中央后區(qū)位置，如功能性神經(jīng)圖像學(xué)和近紅外光譜分析顯示，前扣帶回皮層和前額皮層與應(yīng)激引起的交感神經(jīng)活動有關(guān)；另外，在低體位負(fù)壓實驗和決策任務(wù)實驗中，交感神經(jīng)皮膚電反應(yīng)與雙側(cè)視覺皮層和頂葉有關(guān)，表明腦對外周自主神經(jīng)功能的調(diào)控包含中央后區(qū)位置[2-3]。

雖然解剖學(xué)研究已經(jīng)表明從皮層到腦干和脊髓的直接映射涉及心血管控制，但是由于大腦和心臟是人體重要又復(fù)雜的兩大系統(tǒng)，所以在心腦關(guān)系的研究方面還有很多需要解決的問題。腦皮層對心臟活動具有調(diào)節(jié)作用，心臟也存在到腦皮層的反饋作用[4]。本文采用譜相干方法研究心腦之間的相互影響，通過兩種不同意識任務(wù)實驗試圖闡明主動與被動激活自主神經(jīng)對心臟功能的影響，研究結(jié)果對更有效地通過自主神經(jīng)調(diào)控心臟策略的制定，以及區(qū)分不同腦活動時心臟功能的變化，對臨床心腦血管病人的康復(fù)提供幫助等事項均有較高的指導(dǎo)價值，并為分析其他類似生理系統(tǒng)間的關(guān)系提供了新思路。

1 心腦間譜相干分析原理

1.1 腦電信號小波包分解

對EEG信號進(jìn)行8層小波包分解，分別提取第8層從低頻到高頻256個頻率成份的信號。設(shè)X8,j為原始信號S經(jīng)小波包分解后的第8層的第j個節(jié)點的小波包分解系數(shù)，其中，

然后對小波包分解系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號。以S8,j表示X8,j的重構(gòu)信號，其他以此類推。這里只對第8層的所有節(jié)點進(jìn)行分析，則總信號S可以表示為：

原始EEG信號S中，最低頻率成分為0，最高頻率成分為125，按照前面的小波包頻帶劃分方法，可以得到256個重構(gòu)信號所代表的頻率范圍。

最后求各頻帶信號的總能量。設(shè)S8,j對應(yīng)的能量為則有：

由于正常人的EEG波形的頻率變化范圍主要在0.5～30 Hz，因而腦電頻段范圍選在這個頻段范圍內(nèi)。根據(jù)小波包分解第8層所有節(jié)點的頻率范圍，確定腦電4個基本節(jié)律：δ節(jié)律(0.5～4 Hz)，θ節(jié)律(4～8 Hz)，α節(jié)律(8～13 Hz)和β節(jié)律(13～30 Hz)所包含的節(jié)點，而后按照式(2)求出各個節(jié)點所對應(yīng)的能量，進(jìn)而求出腦電4個節(jié)律的能量，記為分別表示腦電δ節(jié)律、θ節(jié)律、α節(jié)律和β節(jié)律的能量。

1.2 譜相干系數(shù)的定義

為了定量分析不同腦區(qū)與心動周期之間的相互聯(lián)系，本文采用譜相干系數(shù)對不同意識任務(wù)的腦電和心電數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。譜相干系數(shù)已經(jīng)在EEG中被廣泛使用，它的優(yōu)勢是能在分散的頻率段中做相干分析。

歸一化的譜相干系數(shù)定義為[5]：

式中，f表示頻率；分別為要分析相干性的兩個信號x和y在頻率f的自功率譜；的互功率譜。

ERCoh為譜相干系數(shù)，是指所分析頻段中不同頻率相干函數(shù)的疊加。相干函數(shù)是歸一化互譜密度函數(shù)，為兩導(dǎo)之間的振幅、頻率和相角的相似性的度量，即表示了不同神經(jīng)元活動的相干性。譜相干系數(shù)的取值范圍為0～1，當(dāng)相干系數(shù)取1時，說明兩導(dǎo)聯(lián)是完全相干的(完全同步的)，即一個導(dǎo)聯(lián)信號完全由另一個導(dǎo)聯(lián)決定；相干系數(shù)為0時，表明兩個導(dǎo)聯(lián)間的信號不相干(不同步)，亦即兩導(dǎo)信號完全獨立；當(dāng)相干系數(shù)在(0,1)之間時，兩個導(dǎo)聯(lián)的信號間存在著部分相干性，其大小與之值相對應(yīng)，其余部分則可能來自兩個導(dǎo)聯(lián)本身的獨立活動或人體內(nèi)外的擾動[6]。譜相干同步分析法的算法簡單，能刻畫不同神經(jīng)元活動在節(jié)律上的一致性。

心率變異性(heart rate variability, HRV)或RR間期是反映自主神經(jīng)活動影響心臟功能的有效指標(biāo)。RR間期是指兩相鄰R波波峰之間的時間，心率由RR間期獲得。心臟自主神經(jīng)活動通過對RR間期序列的功率譜分析即心率變異性進(jìn)行評價。在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮到腦電信號節(jié)律性活動與心周期以及RR間期的波動有一定的相關(guān)性[7-8]，所以用EEG的小波包參數(shù)和反映HRV的RR間期來描述心腦之間的功能聯(lián)系成為可能。

2 實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)采集

97名健康男性在校學(xué)生(年齡22～27歲)參加了實驗研究。所有受試者均身體健康，無心血管疾病，均了解實驗過程并同意參加實驗。

數(shù)算應(yīng)激任務(wù)實驗是進(jìn)行4個1位數(shù)字的加減混合運算。受試者首先計算出4個1位數(shù)加減混合運算的結(jié)果，而后將結(jié)果與另一個給定的確切的數(shù)進(jìn)行比較，判斷小于、等于還是大于這個數(shù)。每次數(shù)算應(yīng)激時間限定在10 s內(nèi)，要求受試者以盡可能快的速度進(jìn)行連續(xù)5 min的計算，應(yīng)激任務(wù)與主觀困難程度導(dǎo)致的應(yīng)激有關(guān)。作為對照狀態(tài)，受試者只需讀出屏幕上顯示的5個數(shù)字(如讀數(shù)“8 3 2 5 3”)，放松不做任何計算，同樣記錄5 min的數(shù)據(jù)。這個狀態(tài)涉及了視覺、讀數(shù)等過程，但不存在主觀難度導(dǎo)致的應(yīng)激反應(yīng)，這里作為數(shù)算應(yīng)激任務(wù)的對照。

主動調(diào)控心率實驗分為兩組：控制心率減慢實驗組和控制心率加快實驗組。對于減慢實驗組，受試者接收到減慢10%的心電圖聲音，集中注意力到自己的心臟位置，每聽到一次聲音大腦就發(fā)出一次“跳”的命令，由減慢的心電圖聲音作為指導(dǎo)通過意識來改變心跳。對于加快實驗組，受試者接收到加快10%的心電圖聲音，同樣每聽到一次聲音大腦就發(fā)出一次“跳”的命令，由加快的心電圖聲音作為指導(dǎo)通過意識控制來改變心跳。為了確定心跳的改變主要是通過意識的控制，排除聲音因素的影響，本文設(shè)計了對照任務(wù)。要求每組實驗中受試者接收到同樣減慢或加快10%的心電圖聲音，但是不需要集中注意力到心臟，而是放松像聽音樂一樣，每聽到一次聲音默念一次“1”，不做任何控制，這一實驗狀態(tài)作為意識控制心率任務(wù)的對照[9]。

實驗中選用了64導(dǎo)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電極帽，記錄了左右前額(FP1，F(xiàn)P2)、中央前區(qū)(FC3、FC4和FCz)、中央?yún)^(qū)(C3、C4和Cz)、頂區(qū)(P3、P4和Pz)、枕區(qū)(O1、O2和Oz)和顳葉(FT7、FT8、T7和T8)共18導(dǎo)聯(lián)的腦電信號，參考電極置于雙側(cè)乳突連線。分別采用了兩個雙極導(dǎo)聯(lián)的方式記錄了水平眼電和垂直眼電，另兩個雙極導(dǎo)聯(lián)分別記錄心電和呼吸信號。實驗中所有電極與頭皮接觸阻抗均小于5 k?，采樣頻率為500 Hz，放大器的通帶頻帶選擇為0.01～100 Hz，陷波頻率為50 Hz。

心電信號的記錄采用一次性銀/氯化銀電極，正負(fù)電極分別放置在右側(cè)鎖骨下與左前腋下第10肋骨之間，接地電極為右下低于負(fù)電極的位置。呼吸信號的記錄采用束帶式壓力傳感器，通過記錄胸廓起伏獲得，主要作為實驗的監(jiān)測指標(biāo)。記錄的心電呼吸數(shù)據(jù)作為額外的腦電通道數(shù)據(jù)，信號的采樣率為500 Hz，采樣精度為16位。

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行配對t檢驗分析和相關(guān)性分析，實驗數(shù)據(jù)分別用Means±SD和相關(guān)系數(shù)r表示。配對t檢驗實際上是兩個事件之間的差異的檢驗。本文分別對數(shù)算應(yīng)激實驗中每個受試者在應(yīng)激狀態(tài)和對照狀態(tài)下每個導(dǎo)聯(lián)的差異性進(jìn)行了統(tǒng)計分析。主動調(diào)控心率實驗中比較了受試者在控制狀態(tài)和對照狀態(tài)下心腦譜相干系數(shù)的差異。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 不同意識任務(wù)心臟自主神經(jīng)傳出活動模式

文獻(xiàn)[10]的研究表明，情緒的自主神經(jīng)傳出活動模式是交感神經(jīng)活動增加、副交感神經(jīng)活動降低的經(jīng)典拮抗模式，應(yīng)激刺激可以引起包括經(jīng)典拮抗模式在內(nèi)的多種模式?；谛〔ㄗ儞Q的檢測算法用于從心電信號中獲得RR間期序列[11]。本文通過小波模極大值方法得到RR間期序列如圖1所示。采用3次樣條插值法對原始5 min的RR間期序列進(jìn)行間隔為1 s的插值，得到新的RR間期序列。而后采用AR模型(階數(shù)為16)對新的RR間期序列進(jìn)行功率譜分析，分別計算低頻(LF: 0.04～0.15 Hz)和高頻(HF: 0.15～0.4 Hz)段的心率變異性譜功率。對RR間期序列進(jìn)行功率譜分析得到HRV指標(biāo)如圖2～圖4所示。對HRV低頻功率和高頻功率進(jìn)行相關(guān)分析[10]，研究了不同意識任務(wù)過程中心臟自主神經(jīng)的傳出活動模式。不同意識任務(wù)低頻功率和高頻功率的相關(guān)分析結(jié)果如表1所示，r表示相關(guān)系數(shù)，n表示受試者人數(shù)，P表示顯著性水平。

圖1 RR間期序列

圖2 數(shù)算應(yīng)激狀態(tài)下HRV功率譜變化

圖3 控制心率減慢狀態(tài)下HRV功率譜變化

圖4 控制心率加快狀態(tài)下HRV功率譜變化

表1 不同意識任務(wù)低頻功率和高頻功率的相關(guān)分析

從表中可以看出，數(shù)算應(yīng)激、控制心率減慢和加快任務(wù)的低頻功率和高頻功率呈顯著負(fù)相關(guān)，反應(yīng)模式可視為拮抗模式。結(jié)合前期RR間期的分析結(jié)果，數(shù)算應(yīng)激和控制心率加快過程RR間期縮短(心率加快)，可視為交感神經(jīng)占優(yōu)勢的拮抗模式；控制心率減慢過程RR間期延長(心率減慢)，可視為副交感神經(jīng)占優(yōu)勢的拮抗模式[8-9]。結(jié)果表明，不同的意識任務(wù)自主神經(jīng)的反應(yīng)模式不同，主要表現(xiàn)為經(jīng)典的拮抗模式，并且自主神經(jīng)的雙重支配使得有機體對刺激的反應(yīng)是靈活變化的。

3.2 數(shù)算應(yīng)激實驗?zāi)X電和心電的相干分析

首先分別得到心電RR間期序列和每個R峰前2 s的腦電信號數(shù)據(jù)段的小波包能量參數(shù)，對RR間期序列和相應(yīng)的腦電小波包能量參數(shù)分別采用3次樣條插值進(jìn)行均勻重采樣，重采樣頻率為1 Hz，然后計算腦電每個導(dǎo)聯(lián)的小波包參數(shù)序列與心電RR間期序列之間的譜相干系數(shù)。結(jié)果如圖5所示，圖中FC3和FCz表示中央前區(qū)，C3、C4和Cz表示中央?yún)^(qū)，P4表示頂區(qū)，O1和O2表示枕區(qū)?！?’和‘**’分別表示與對照狀態(tài)相比P＜0.05和P＜0.01(配對t檢驗)。

從圖中可以看出，數(shù)算應(yīng)激任務(wù)使得FC3、FCz、C3、C4、Cz、P4、O1和Oz導(dǎo)聯(lián)小波包參數(shù)和心電RR間期的譜相干系數(shù)顯著增加(P＜0.05)。說明中央前區(qū)、中央?yún)^(qū)和頂、枕葉腦區(qū)的神經(jīng)元活動與RR間期的相干性顯著增強。

圖5 數(shù)算應(yīng)激任務(wù)中小波包參數(shù)和心電RR間期的譜相干系數(shù)變化

3.3 控制心率實驗?zāi)X電和心電的相干分析

圖6 控制心率任務(wù)中β頻段小波包參數(shù)和心電RR間期的譜相干系數(shù)變化

意識控制心率任務(wù)中腦電小波包能量和心電RR間期的譜相干系數(shù)如圖6所示，圖中，F(xiàn)C4和C4表示中央前區(qū)和中央?yún)^(qū)；‘*’表示與對照狀態(tài)相比P＜0.05(配對t檢驗)。從圖中可以看出，控制心率減慢時FCz、C4和Cz導(dǎo)聯(lián)，控制心率加快時FC4和C4導(dǎo)聯(lián)小波包參數(shù)和心電RR間期的譜相干系數(shù)均顯著增加(P＜0.05)，說明控制心率實驗中中央前區(qū)和中央?yún)^(qū)的神經(jīng)元活動與RR間期的相干性顯著增強。

4 結(jié)束語

譜相干分析是一種頻域不同區(qū)域間的功能耦合測量方法。從生理學(xué)的角度，譜相干系數(shù)反映了所研究信號間的功能協(xié)作程度，高的譜相干系數(shù)表明信號間具有較高的互信息流量。譜相干系數(shù)值的增加被認(rèn)為是神經(jīng)元聯(lián)系的增強，減小的譜相干系數(shù)值被認(rèn)為是功能聯(lián)系的減少[12]。本文的實驗結(jié)果說明了數(shù)算應(yīng)激任務(wù)和控制心率任務(wù)對心臟的影響不同，數(shù)算應(yīng)激任務(wù)既有位于腦后區(qū)皮層對心臟活動的調(diào)控，也有從腦中央?yún)^(qū)對心臟的反饋調(diào)節(jié)，而控制心率任務(wù)中主要是中央前區(qū)和中央?yún)^(qū)位置對心臟的主動調(diào)控。數(shù)算應(yīng)激任務(wù)和控制心率任務(wù)的心腦間信息傳遞的不同反映了被動調(diào)節(jié)與主動控制心率對心臟調(diào)控機制的不同。

已有研究發(fā)現(xiàn)中央?yún)^(qū)和中央前區(qū)電極與軀體感覺的基本區(qū)域?qū)?yīng)，具有植物神經(jīng)皮質(zhì)中樞的部分功能。心跳感知實驗也表明感覺運動區(qū)是心跳感知過程中的主要活動腦區(qū)，冥想練習(xí)時中央前區(qū)的相干性與自主神經(jīng)活動有關(guān)[13-14]。本文的實驗結(jié)果進(jìn)一步說明感覺運動皮層和心臟間存在信息耦合，數(shù)算應(yīng)激任務(wù)和意識控制心率任務(wù)都引起了腦—心間神經(jīng)元耦合程度的變化，調(diào)節(jié)交感和副交感神經(jīng)活動，加快或減慢心率。腦皮層信息整合的過程主要是由不同頻率段的神經(jīng)元的形成和分解決定，所以譜相干方法可以作為測定頭皮神經(jīng)元的耦合及頭皮到心臟信息傳遞的敏感指標(biāo)。

臨床研究顯示腦損傷病人的自主神經(jīng)響應(yīng)可能被破壞，進(jìn)而認(rèn)為腦皮層功能與心血管健康之間存在著密切聯(lián)系[15]。本文的研究結(jié)論提高了對調(diào)節(jié)交感和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的頭皮位置的認(rèn)識，為今后研究治療心血管疾病的新方法提供了思路。