腦電源定位技術(shù)的研究進(jìn)展

張?jiān)祈担?芳，張士迪，賈少迪，袁 凱，喻大華

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010；2.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710126）

腦電圖（EEG）是對(duì)大腦中大量神經(jīng)元集群的放電活動(dòng)在頭皮表面進(jìn)行綜合反應(yīng)的記錄，具有很高的時(shí)間分辨率，能夠在亞毫秒量級(jí)中反映神經(jīng)元集群的放電活動(dòng)。但是，EEG面臨的最大問(wèn)題是記錄的信號(hào)不是腦內(nèi)大量神經(jīng)元集群信號(hào)的直接對(duì)應(yīng)，而是大腦中多個(gè)信號(hào)發(fā)生源在容積傳導(dǎo)效應(yīng)影響下的信號(hào)疊加。與MRI等神經(jīng)影像學(xué)方法相比，EEG不能提供高分辨率結(jié)構(gòu)影像，其空間分辨率較低，限制了EEG的分析和應(yīng)用。為了克服這一缺點(diǎn)，一個(gè)可行的方法就是利用測(cè)量的EEG信號(hào)重建腦內(nèi)信號(hào)發(fā)生源的分布模式，即腦電逆問(wèn)題，也就是腦電源定位技術(shù)。解決腦電逆問(wèn)題的方法分為兩大類，主要是參數(shù)方法（包括LORETA、sLORETA等）和非參數(shù)方法（包括MUSIC、BESA等），而兩者之間最主要的區(qū)別是是否假設(shè)了固定的偶極子數(shù)量。在過(guò)去幾十年中，已經(jīng)發(fā)展了很多非侵入式測(cè)量大腦內(nèi)部活動(dòng)的技術(shù)，其中之一就是利用腦電進(jìn)行源定位。1949年，Braizier首次提出用等效偶極子作為腦內(nèi)信號(hào)發(fā)生源的觀點(diǎn)，等效偶極子通過(guò)容積傳導(dǎo)效應(yīng)在頭皮上產(chǎn)生的電位可以認(rèn)為是在頭皮處測(cè)量的腦電信號(hào)，這些等效偶極子的位置和方向可以由頭皮處腦電信號(hào)來(lái)估計(jì)。1972年，Schneider等人首次利用心電求逆中使用的偶極子定位方法，對(duì)腦電進(jìn)行定量求逆，揭開(kāi)了腦電逆問(wèn)題研究的序幕。近年來(lái)，腦電源定位技術(shù)不僅用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究，而且在神經(jīng)病學(xué)、精神病學(xué)和精神藥理學(xué)等臨床神經(jīng)科學(xué)中也有重要的應(yīng)用。文章主要從以下兩個(gè)方面對(duì)腦電源定位技術(shù)的應(yīng)用以及得出的成果進(jìn)行總結(jié)分析。

1 腦電源定位技術(shù)在BESA中的研究應(yīng)用

BESA是一種通過(guò)基于多源模型不同源配置將表面信號(hào)轉(zhuǎn)換為大腦活動(dòng)的源定位分析軟件，是一種特殊的偶極子擬合模型，能夠在一段連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)中假設(shè)偶極子具有固定的位置和固定或變化的方向。在體感誘發(fā)電位（SEPs）、晚期聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位（LAEP）、腦島認(rèn)知功能的研究以及癲癇等腦部疾病中，BESA都有相關(guān)的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，在體感誘發(fā)電位上，通過(guò)刺激被試右側(cè)脛神經(jīng)然后利用BESA的四偶極子模型進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)了四個(gè)偶極子的聯(lián)合活動(dòng)可以很好地解釋脛神經(jīng)體感誘發(fā)電位的頭皮分布，偶極子模型有效提高了時(shí)間分辨率和空間分辨率。對(duì)于在晚期聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位的研究，BESA分析了從兒童到青少年不同年齡段的晚期誘發(fā)電位，估計(jì)了偶極子源活動(dòng)的峰值潛伏期與振幅，雖然兒童與成年人的晚期聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位的偶極子源的數(shù)量、位置、方向相似，但是它們之間的活動(dòng)過(guò)程還是有所不同。在發(fā)育過(guò)程中，潛伏期縮短，振幅降低，并且在青春期，切向偶極子還出現(xiàn)了一個(gè)新的成分，它反映了顳平面的發(fā)生源，并且與成人相比兒童時(shí)期的參數(shù)變異性更大。偶極子源分析可以作為研究聽(tīng)覺(jué)、知覺(jué)功能正常和異常成熟的有用工具。在腦島的認(rèn)知功能的研究上，BESA估計(jì)了左右腦半球的前腦島區(qū)域與紋外區(qū)域的顱內(nèi)偶極子活動(dòng)，在GO/NOGO的圍棋實(shí)驗(yàn)中顯示了左側(cè)前腦島的活動(dòng)相似，而右側(cè)前腦島的活動(dòng)有一定差異。在一項(xiàng)對(duì)于復(fù)雜部分性癲癇的研究中，通過(guò)BESA偶極子源定位方法對(duì)復(fù)雜部分性癲癇患者的發(fā)作間期進(jìn)行源定位，結(jié)果表明BESA對(duì)于點(diǎn)狀致癇區(qū)域的定位精度更高。而在另一項(xiàng)關(guān)于難治性癲癇的研究上發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DG-PET的空間定位與BESA偶極子源在時(shí)間上的準(zhǔn)確性結(jié)合在一起，可以精準(zhǔn)定位致癇灶，極大減少了對(duì)于癲癇疾病的診斷時(shí)間。BESA在癲癇等腦部疾病的應(yīng)用上比較廣泛，能夠快速定位到大腦皮層的發(fā)生源，為研究人員提供了極大的便利。在對(duì)于神經(jīng)影像學(xué)的相關(guān)研究中，BESA的使用還在不斷的拓展。幾十年以來(lái)，在神經(jīng)學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)和心理生理學(xué)的研究表明，通過(guò)在頭皮上記錄得到的事件相關(guān)電位的神經(jīng)源定位受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

2 腦電源定位技術(shù)在sLORETA中的研究應(yīng)用

sLORETA是一種分布式源定位軟件，雖然名為sLORETA，但是它并不是基于LORETA，而是基于標(biāo)準(zhǔn)化電流密度圖像的定位方法。它使用最小范數(shù)估計(jì)（MNE）給出當(dāng)前密度的估計(jì)，可以產(chǎn)生神經(jīng)元集群電活動(dòng)的三維圖像，并且與神經(jīng)元集群電活動(dòng)的強(qiáng)度和方向上具有很大相似性。sLORETA在癲癇、阿爾茲海默病抑郁癥等腦部疾病中有很多應(yīng)用。在一項(xiàng)研究中，為了能夠了解兒童失神癲癇（CAE）放電的起源，研究人員使用sLORETA進(jìn)行分布式源定位，通過(guò)采集16名患病兒童獲得242個(gè)腦電周期，得到相對(duì)應(yīng)的sLORETA圖像，其最大電流源密度主要位于額葉，與峰值一致，從而確定兒童失神癲癇放電主要來(lái)源來(lái)自額葉。在另一項(xiàng)研究中，通過(guò)sLORETA研究丙戊酸（VPA）這種抗癲癇藥物（AED）對(duì)于兒童失神癲癇治療過(guò)程的對(duì)比，對(duì)17例患者進(jìn)行非參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，比較治療前后頻段的電流密度分布。結(jié)果表明，delta頻段左側(cè)額下回的電流密度差異最大，theta頻段左側(cè)額內(nèi)側(cè)回的電流密度差異最大，alpha頻段左額下回的電流密度差異最大，beta頻段左側(cè)前扣帶回的電流密度差異最大，在抗癲癇藥物的治療期間腦電活動(dòng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯差異。在與阿爾茲海默?。ˋD）的相關(guān)研究中，使用sLORETA來(lái)識(shí)別受益于膽堿酯酶抑制劑（ChEI）治療的阿爾茲海默病患者亞組，沒(méi)有產(chǎn)生反應(yīng)患者alpha頻段和delta頻段有明顯更高的電流密度，腦電活動(dòng)位于額葉和頂枕區(qū)，在治療6個(gè)月后，只有產(chǎn)生反應(yīng)的患者beta頻段出現(xiàn)了電流密度的增加，腦電活動(dòng)主要在左側(cè)額葉和顳葉皮質(zhì)。結(jié)果表明，有一組的阿爾茲海默病患者對(duì)于膽堿酯酶抑制劑的治療有更好的反應(yīng)。在另一項(xiàng)研究中，通過(guò)注射東莨菪堿來(lái)研究與阿爾茲海默病和輕度認(rèn)知障礙是否產(chǎn)生類似的區(qū)域特異性的腦電活動(dòng)改變。結(jié)果表明，東莨菪堿顯著增加了三角洲腦區(qū)（雙側(cè)中央前回、中央后回、扣帶回和中央旁小葉等）的腦電活動(dòng)，而降低了所有后腦區(qū)的alpha頻段，東莨菪堿引起腦電活動(dòng)的區(qū)域和頻段特異性改變，與阿爾茲海默病和輕度認(rèn)知障礙觀察到的相似。在一項(xiàng)關(guān)于靜息態(tài)腦電的研究中，通過(guò)給21名男性靜態(tài)注射瑞芬太尼和安慰劑并在治療前和治療后進(jìn)行記錄，使用sLORETA對(duì)delta（1-3.9Hz）、theta（4-7.9 Hz）、alpha（8-12 Hz）、beta1（12.1-18 Hz）和beta2（18.1-30 Hz）頻段進(jìn)行源定位。結(jié)果表明，與注射安慰劑相比，注射瑞芬太尼有明顯的改變，包括額葉下回、額葉腦島在內(nèi)的幾個(gè)腦區(qū)神經(jīng)元振蕩更加強(qiáng)烈，主要局限于額葉、額葉-顳葉、額葉-中央葉，與認(rèn)知功能有關(guān)。sLORETA為了解瑞芬太尼對(duì)大腦活動(dòng)的潛在機(jī)制提供了可能性。在一項(xiàng)關(guān)于抑郁癥的研究中，使用sLORETA對(duì)9名健康被試和9名輕度抑郁癥患者進(jìn)行腦電源定位，并且通過(guò)t-Test計(jì)算眼球運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明輕度抑郁癥患者對(duì)于負(fù)面面部表情關(guān)注度較高。從源定位的結(jié)果來(lái)看theta頻段額葉右側(cè)額中回（BA6）活性比較高，表明輕度抑郁癥患者更關(guān)注負(fù)面面部表情，并且顳極存在一定的障礙。一項(xiàng)使用sLORETA觀察艾灸治療慢性下腰痛患者的大腦皮層活動(dòng)變化的研究中，21例患者其中11例出現(xiàn)了強(qiáng)烈的熱敏化反應(yīng)，并且前額葉、初級(jí)軀體感覺(jué)、第二軀體感覺(jué)和扣帶皮質(zhì)beta頻段電流密度顯著降低，左側(cè)腦島alpha2頻段電流密度出現(xiàn)升高，而其他沒(méi)有熱敏性的患者未檢測(cè)到相應(yīng)的變化。結(jié)果表明，皮層振蕩活動(dòng)與艾灸時(shí)的熱敏化有很大的關(guān)聯(lián)。sLORETA對(duì)于腦部疾病應(yīng)用方面比較廣泛，提高了研究人員對(duì)于大腦的認(rèn)知行為和腦區(qū)區(qū)域的變化理解和認(rèn)識(shí)。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，腦電作為一種非侵入性的測(cè)量技術(shù)，采集數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，攜帶比較方便，價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較便宜，對(duì)人體沒(méi)有危害，在實(shí)際生活中得到了廣泛的應(yīng)用。腦電源定位技術(shù)能夠分析大腦神經(jīng)元集群的活動(dòng)，尤其在腦部疾病方面，可以幫助研究者理解大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)變化，從而提高對(duì)于腦部疾病的認(rèn)識(shí)和了解。

此外，腦電源定位技術(shù)應(yīng)當(dāng)在溯源精度上進(jìn)行提升和應(yīng)用思路上進(jìn)行更新。在提升溯源精度方面上，需要充分考慮生理學(xué)對(duì)于溯源定位精度的影響，研究表明，在不同物種的大腦結(jié)構(gòu)之間等效電流偶極子存在一個(gè)閾值，這個(gè)閾值被看作源定位問(wèn)題的約束條件。除此之外，生理學(xué)數(shù)據(jù)的不同與個(gè)體之間的差異都會(huì)導(dǎo)致溯源精度的不同。同時(shí)，腦電源定位技術(shù)也可以與影像學(xué)方法進(jìn)行融合，MRI和fMRI技術(shù)可以為腦電溯源問(wèn)題提供高空間分辨率的大腦結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，腦電也可以給影像學(xué)提供高時(shí)間分辨率，從而更好提升溯源精度。在更新應(yīng)用思路方面，隨著科技的發(fā)展，一些新的技術(shù)已經(jīng)成型，腦電源定位得到的源信號(hào)可以與新技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，例如源信號(hào)可以作為BCI的控制端，幫助患者進(jìn)行更好的康復(fù)治療。腦電源定位技術(shù)作為一個(gè)具有發(fā)展前景的技術(shù)，對(duì)于治療腦部疾病具有重要的意義，未來(lái)可以在神經(jīng)學(xué)、心理生理學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。腦電源定位技術(shù)作為一個(gè)具有發(fā)展前景的技術(shù)，對(duì)于治療腦部疾病具有重要的意義，未來(lái)可以在神經(jīng)學(xué)、心理生理學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。