急性高原低氧環(huán)境對大腦不同波段偏側(cè)化的影響

周迪，陳甄，張廣波，成祥，朱玲玲，王篤明，趙永岐,

(1.浙江理工大學(xué)，杭州 310018；2.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院軍事認(rèn)知與腦科學(xué)研究所，北京 100850)

1 引言

高原地區(qū)自然環(huán)境相對惡劣，這種惡劣環(huán)境會影響急進(jìn)高原人群的生理、心理功能。以往研究顯示，高原環(huán)境中的低壓低氧、干燥低溫等因素都會影響人包括感知覺、注意、記憶和情緒等在內(nèi)的認(rèn)知功能，還會影響機(jī)體的健康與作業(yè)能力[1]?？盗盏萚2]研究表明，缺氧對高原邊防軍人的心理功能影響最為明顯，隨著海拔的增加心理功能受影響的程度也會增大。楊國愉等[3]研究表明，高原環(huán)境對軍人認(rèn)知功能產(chǎn)生明顯影響，這種影響與海拔高度、進(jìn)入高原時間和軍事作業(yè)狀態(tài)均有明顯關(guān)系。

情緒調(diào)節(jié)能有效改善個體的情緒狀態(tài)維護(hù)其身心健康。研究表明，積極的情緒調(diào)節(jié)策略有助于高原官兵心理健康的維護(hù)與促進(jìn)[4]，良好的情緒調(diào)節(jié)方式有助于降低個體的不良情緒體驗，顯著促進(jìn)個體的心理健康。在常氧環(huán)境中常以額區(qū)偏側(cè)化程度作為情緒調(diào)節(jié)能力的指標(biāo)，額區(qū)偏側(cè)化程度是根據(jù)額區(qū)alpha波(8-13Hz)的活動強(qiáng)度進(jìn)行測量和計算得到的指標(biāo)，alpha波的活動越強(qiáng)說明腦區(qū)的活動越弱[5]，實驗室中的測量方法是提取被試靜息狀態(tài)下左側(cè)與右側(cè)額區(qū)的alpha波，計算右側(cè)額區(qū)alpha波自然對數(shù)值與左側(cè)額區(qū)alpha波自然對數(shù)值的差值(ln[右側(cè)alpha]-ln[左側(cè)alpha])，以此作為額區(qū)活動偏側(cè)化程度的指標(biāo)。差值為正，說明左側(cè)額區(qū)的活動較于右側(cè)額區(qū)活動更強(qiáng)烈，額區(qū)左側(cè)化活動優(yōu)勢；反之，額區(qū)右側(cè)化活動優(yōu)勢[6-7]。研究表明，具有良好的情緒調(diào)節(jié)能力的個體，腦電信號往往伴隨著左額葉更大的活動[6]。額區(qū)活動具有左側(cè)化優(yōu)勢的個體情緒調(diào)節(jié)的靈活性更高[6，8]，在負(fù)性刺激情況下相對于右側(cè)化優(yōu)勢的個體情緒狀態(tài)更容易恢復(fù)[9-10]。Dennis和Solomon認(rèn)為[11],額區(qū)EEG偏側(cè)化除了能夠反映情緒調(diào)節(jié)的變化以外,還可以反映情緒調(diào)節(jié)過程中情緒性內(nèi)容的資源需求,也就是說,個體調(diào)節(jié)情緒付出的努力程度越大,偏側(cè)化指標(biāo)也就會越大。雖然靜息態(tài)的EEG偏側(cè)化指標(biāo)反映了個體在特質(zhì)或情緒調(diào)節(jié)能力上的差異已經(jīng)得到了絕大部分研究的證實[12-13]，但是在特殊環(huán)境下測量的EEG偏側(cè)化指標(biāo)的含義則有著許多爭論[14]。從以往研究可知，低氧能夠影響人的生理心理功能，但未有研究比較過常氧和低氧環(huán)境下影響情緒調(diào)節(jié)能力的腦指標(biāo)變化的區(qū)別，因此急性高原低氧環(huán)境對大腦不同波段偏側(cè)化的影響亟待探討。

本研究采用低壓低氧艙模擬海拔4300m的高原低氧環(huán)境，被試分別在艙內(nèi)常氧、低氧環(huán)境10 h過夜之后進(jìn)行腦電信號測量。本研究期望通過對急性高原低氧環(huán)境中靜息腦電信號的分析，觀察氧氣環(huán)境(常氧/低氧)對腦電各頻段功率的影響。

2 對象與方法

2.1 對象

實驗對象為12名健康男性，從北京各高校招募，本科以上文化程度，年齡在20歲到25歲之間(22.42±1.62)。所有被試無色盲色弱，視力或矯正視力正常，右利手，無特殊病史，無心理疾病和精神障礙史，近期無服用對神經(jīng)系統(tǒng)有影響或損害作用的藥物。實驗開始前，被試均被告知實驗?zāi)康募皩嶒灹鞒滩⑻顚懥酥橥鈺?/p>

2.2 實驗設(shè)計與流程

本研究為單因素被試內(nèi)設(shè)計，自變量是氧氣環(huán)境(常氧/低氧)，其中低氧氧分壓為12.3kPa，因變量是額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)(alpha、beta、delta、gamma、theta )。實驗在航空醫(yī)學(xué)研究所低壓低氧艙內(nèi)進(jìn)行。12名被試被隨機(jī)分成3組，輪流進(jìn)行實驗，每組實驗周期是4天。第一、二天22：00開始，安排4名被試進(jìn)入低壓氧艙內(nèi)在常氧環(huán)境下進(jìn)行整晚適應(yīng)性睡眠；第三天8：00開始，輪流進(jìn)行情緒誘發(fā)并采集腦電信號；第三天22：00開始，進(jìn)入海拔4300米低壓低氧艙進(jìn)行睡眠過夜實驗，同時應(yīng)用睡眠床墊進(jìn)行睡眠監(jiān)測；第四天8：00開始，在艙內(nèi)輪流進(jìn)行情緒誘發(fā)并采集腦電信號。

2.3 腦電數(shù)據(jù)采集與分析

本研究使用BP(BrainProducts,BP)-32導(dǎo)設(shè)備采集腦電信號，電極分布為國際通用的10-20系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)時，參考電極位于Fz和Cz電極之間，離線分析時轉(zhuǎn)換為TP9、TP10的平均作為參考，接地電極Ground位于Fp1和Fp2電極之間，眼電(Electrooculogram,EOG)電極置于右眼下方約1.5cm處，采樣率為250Hz，記錄帶寬為0Hz-100Hz，采集過程中所有電極的電阻保持在5kΩ以下。

靜息態(tài)額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)分析：使用Matlab R2013b軟件對實驗起始部分的60s靜息腦電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及頻譜分析。(1)預(yù)處理：剔除眼電電極，使用TP9、TP10電極的平均對數(shù)據(jù)進(jìn)行重參考，0.05Hz-40Hz的帶通濾波以及50Hz陷波，篩選出實驗起始部分60s的靜息電信號，每2秒(500 point)分為一段(epoch)，使用獨立主成分分析(Independent principal component analysis,ICA)并剔除眼動偽跡。(2)通過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)提取前額葉alpha(8-13Hz)頻率波段的功率譜，計算F3、F4電極自然對數(shù)轉(zhuǎn)換后的差值作為偏側(cè)化指標(biāo)(Ln(F4)-Ln(F3))。正值表示前額左側(cè)比右側(cè)有更高的alpha激活，即前額右側(cè)皮層相對左側(cè)有更大的激活。

2.4 統(tǒng)計分析

我們通過采集實驗起始部分時60s的靜息腦電信號，對靜息狀態(tài)下額區(qū)EEG偏側(cè)化指標(biāo)的變化進(jìn)行分析，使用FFT提取前額葉alpha(8-13Hz)頻率波段的功率譜，計算F3、F4電極自然對數(shù)轉(zhuǎn)換后的差值作為偏側(cè)化指標(biāo)(Ln(F4)-Ln(F3))，并根據(jù)常氧下靜息態(tài)偏側(cè)化指標(biāo)的情況進(jìn)行偏側(cè)化分組，使用SPSS 21.0分別對兩組被試低氧前后的偏側(cè)化數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗。

3 結(jié)果

3.1 急性低氧環(huán)境下各頻段功率的變化

使用Matlab R2013b軟件對實驗起始部分的60s靜息腦電信號進(jìn)行頻譜分析：將腦電按照頻率從低到高劃分為δ(1-4 Hz)、θ(5-7 Hz)、α(8-13 Hz)、β(14-30 Hz)、γ(>30Hz)五個頻段，并通過FFT提取腦電各頻段功率(幅值)的全腦地形分布，如圖1所示。

圖1 腦電各頻段功率(幅值)的全腦地形分布

額區(qū)頻譜分析通過FFT將隨時間變化的波幅轉(zhuǎn)換為隨頻率變化的腦電功率譜圖，額區(qū)(F3fzF4均值)頻譜圖如圖2所示。

圖2 額區(qū)頻譜分析圖

采用SPSS 21.0對額區(qū)(F3/Fz/f4)各頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗，低氧前后各頻段數(shù)據(jù)的差值皆服從正態(tài)分布(P>0.05)，因此對低氧前、后的各頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。額區(qū)alpha、delta、theta頻段在低氧前后差異顯著，如圖3所示。

表1 額區(qū)各頻段低氧前、后比較(mean±SD,n=12)

圖3 額區(qū)各頻段低氧前、后比較

3.2 額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)分析結(jié)果

額區(qū)各頻段偏側(cè)化總體情況：FFT后提取各頻段絕對功率，偏側(cè)化=ln(F4)-ln(F3)沒有進(jìn)行正負(fù)值分組。研究采用SPSS 21.0對各頻段偏側(cè)化指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗，低氧前后各頻段數(shù)據(jù)的差值皆服從正態(tài)分布(P>0.05)，因此對低氧前、后的各頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗，如表2所示。

表2 低氧前、后額區(qū)偏側(cè)化比較(mean ±SD,n=12)

本研究根據(jù)常氧下靜息態(tài)偏側(cè)化指標(biāo)的情況，將被試分為左偏側(cè)化組(5人)和右偏側(cè)化組(7人)，經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗，左、右偏側(cè)化組低氧前后數(shù)據(jù)的差值皆服從正態(tài)分布(P>0.05)，分別對兩組低氧前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本T檢驗。在靜息狀態(tài)下，alpha頻段左右偏側(cè)化組低氧前后比較發(fā)現(xiàn)，左偏側(cè)化組低氧前后差異顯著，t(4)=7.116,P=0.002；右偏側(cè)化組低氧前后差異也顯著，t(6)=-2.804,P=0.031。左、右偏側(cè)化組低氧前后額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)的差異結(jié)果如圖4所示。左側(cè)組偏側(cè)化指標(biāo)為正值，說明左側(cè)alpha低，左邊腦區(qū)活動強(qiáng)，稱為左偏側(cè)化。

圖4 左、右偏側(cè)化組低氧前后額的差異比較

然后利用相同的方法，又分別對beta、delta、theta、gamma頻段左、右偏側(cè)化低氧前后的變化差異進(jìn)行了比較。

對于左右偏側(cè)化組，正值組即：偏側(cè)化指標(biāo)為正值，左側(cè)組，說明F4_beta>F3_ beta。在靜息狀態(tài)下，beta頻段左右偏側(cè)化組低氧前后比較發(fā)現(xiàn)，左偏側(cè)化組低氧前后差異顯著，t(6)=4.842,P=0.003；右偏側(cè)化組低氧前后差異不顯著，t(4)=-0.311,P=0.771。其變化如圖5所示。

圖5 beta頻段低氧前后差異比較

在靜息狀態(tài)下，delta頻段左右偏側(cè)化組,低氧前后比較發(fā)現(xiàn)，左偏側(cè)化組低氧前后差異不顯著，t(5)=1.915,P=0.114；右偏側(cè)化組低氧前后差異也不顯著，t(5)=-1.378,P=0.227。如圖6所示。

圖6 delta頻段低氧前后差異

在靜息狀態(tài)下gamma頻段左右偏側(cè)化組，低氧前后比較發(fā)現(xiàn)，左偏側(cè)化組低氧前后差異不顯著t(8)=1.976,P=0.084；右偏側(cè)化組低氧前后差異也不顯著，t(2)=-0.243,P=0.830。如圖7所示。

圖7 gamma頻段低氧前后差異

對于靜息狀態(tài)下，theta頻段左右偏側(cè)化組低氧前后比較，經(jīng)Shapiro-Wilk檢驗，左偏側(cè)化數(shù)據(jù)低氧前、后的差值服從正態(tài)分布(P>0.05)，進(jìn)行配對樣本T檢驗；右偏側(cè)化數(shù)據(jù)低氧前、后的差值不服從正態(tài)分布(P=0.003)，進(jìn)行Wilcoxon 符號秩檢驗。theta頻段左右偏側(cè)化組低氧前后比較發(fā)現(xiàn)，左偏側(cè)化組低氧前后差異顯著，P=0.035；右偏側(cè)化組中，低氧前后差異也顯著，P=0.017，如圖8所示。

圖8 theta頻段低氧前后差異

4 討論

本研究探討了急性低氧環(huán)境對額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)的影響，在低壓氧倉中模擬急進(jìn)高原人群低氧10h 以上，對個體額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)的改變情況進(jìn)行探究，期待能夠描述和探究在經(jīng)歷低氧環(huán)境前后額區(qū)不同波段偏側(cè)化的變化。研究結(jié)果顯示，個體在低氧前后，額區(qū)各頻段頻譜振幅有一定的變化，其中在delta、theta、alpha、beta、gamma頻段中，常氧下額區(qū)活動呈左偏側(cè)化的個體在經(jīng)歷急性低氧環(huán)境后偏側(cè)化指標(biāo)均有所降低，常氧下額區(qū)活動呈右偏側(cè)化的個體在急性低氧環(huán)境后偏側(cè)化指標(biāo)均有所增加。其中對于alpha、beta和theta頻段，偏側(cè)化指標(biāo)從正值下降到了負(fù)值，差異達(dá)到了顯著性水平，額區(qū)活動性從左側(cè)活動較強(qiáng)變成右側(cè)活動較強(qiáng)，說明模擬的急性低氧環(huán)境影響了被試的額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)；但是對于delta、gamma頻段，差異并沒有達(dá)到顯著性水平，可能的原因主要考慮是急性高原低氧環(huán)境暴露時間太短，或者與模擬環(huán)境密閉性可能沒有達(dá)到最佳狀態(tài)影響了個體狀態(tài)及測試效果等有關(guān)。另外，常氧時額葉活動左側(cè)化優(yōu)勢的個體在低氧之后呈右側(cè)化優(yōu)勢，說明情緒調(diào)節(jié)能力在很大程度上受到急性低氧環(huán)境的影響，導(dǎo)致個體情緒調(diào)節(jié)能力出現(xiàn)了明顯的下降。雖然大量的研究顯示,靜息額葉EEG偏側(cè)化具有相對穩(wěn)定性，可以作為一個穩(wěn)定的神經(jīng)指標(biāo)[15-19]，但本研究發(fā)現(xiàn)突然的環(huán)境變化除了會讓人的生理和心理功能產(chǎn)生不適之外，還在很大程度上影響了個體長期穩(wěn)定的生理指標(biāo)和情緒狀態(tài)。

此外，值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)常氧下額區(qū)活動呈右側(cè)化的個體在經(jīng)歷急性高原低氧環(huán)境之后，偏側(cè)化指標(biāo)略為上升，其中alpha和theta頻段的上升指標(biāo)均達(dá)到了顯著性水平。根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果表明，靜息狀態(tài)下,額葉EEG偏側(cè)化與情緒調(diào)節(jié)有關(guān)，良好的情緒調(diào)節(jié)能力往往伴隨著左額葉更大的活動[20-22]。那么，右偏側(cè)化指標(biāo)的上升，是否說明了本身情緒調(diào)節(jié)能力不太靈活或者自身具有焦慮和抑郁特質(zhì)的個體，在經(jīng)歷急性高原低氧環(huán)境后，情緒調(diào)節(jié)能力能有所改善？焦慮、抑郁特質(zhì)的個體如果長期處于高原低氧環(huán)境下是否個人特質(zhì)會改變，以至于負(fù)性情緒更少？這一問題還值得我們進(jìn)一步深入探究。

但就目前的研究結(jié)果而言，不同波段大腦功率的變化以及低氧前后大腦偏側(cè)化程度的變化，均表明急性高原低氧環(huán)境前后對個體腦電功率變化的影響比較明顯，對探究個體額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)的變化規(guī)律具有深刻意義。

5 結(jié)論

常氧下額區(qū)活動呈左側(cè)化的被試在急性低氧之后，偏側(cè)化指標(biāo)從正值下降到了負(fù)值，額區(qū)活動性從左側(cè)活動較強(qiáng)變成右側(cè)活動較強(qiáng)，說明模擬低氧環(huán)境影響了個體的額區(qū)偏側(cè)化指標(biāo)，導(dǎo)致個體情緒調(diào)節(jié)靈活性變差。