抑郁癥靜息態EEG前后部腦電活動

廖智舟， 李川， 周軍， 周海燕， 秦裕林，豐雷，馮媛

(1.北京工業大學 國際WIC研究院磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室, 北京 100124； 2.首都醫科大學 附屬北京安定醫院,北京 100124)

目前在全世界范圍有3.4億抑郁癥患者，在全世界十大疾病中，抑郁癥排到第5位，預計到2020年，抑郁癥將躍居到第2位[1]。抑郁癥對人的勞動力的損害也日益得到重視。研究人員已從不同的角度，對抑郁癥的鑒別、治療、療效評估等方面進行研究，取得了較大的進展。盡管已有研究發現，社會人口統計學因素、臨床表現、生理學標志、基因多態性和EEG/MEG參數等都是預測抑郁癥治療效果的重要指標，但到目前為止還沒有單獨的預報方法能獲得對臨床目的滿意的敏感度和特異性[1]。高敏感度和特異性的預測方法對開發計算機診斷具有十分重要的意義。

1 靜息態EEG

EEG是由腦皮層神經元突觸后電位同步總和的表現。在人們無刺激、清醒、放松條件下記錄的EEG稱為靜息態EEG。時域的EEG有2個特征量，橫軸時間變量與縱軸電位變量。僅用這2個變量難以區別正常人與抑郁癥病人的EEG。有些研究將靜息態EEG進行傅里葉變換，把時域的EEG轉換為頻域的EEG，用頻域的特征量來分析，區別正常人和抑郁癥。還有些研究對靜息態EEG進行小波變換，這種變換是把時域和頻域結合起來的分析方法，然后計算小波熵，抑郁癥與正常人在小波熵上有顯著的差異。本研究中首先使用快速傅里葉變換(FFT)將靜息態EEG從時域轉換為頻域，快速傅里葉變換的結果與傅里葉變換的結果相似，但是快速傅里葉變換算法在時間復雜度和空間復雜度上都優于傅里葉變換，較便于計算機計算。快速傅里葉變換后可以將各個記錄通道的頻譜進行頻帶劃分。然后將各個記錄通道各個頻帶的功率或者電壓密度導出,做進一步分析。

由于人類的腦呈左右半球對稱的結構，但是左右半球的功能不同，研究者很容易考慮到去比較抑郁癥與正常人左右半球活動強度的對稱性。已有研究在將靜息態EEG快速傅里葉變換后，取各個頻帶各個通道的功率值，進行左右半球對稱通道功率值是否對稱的檢驗。大量的證據顯示單相抑郁癥與前部腦區左半球相對右半球活動下降存在聯系[2-4]。臨床抑郁癥病人相對正常人而言，顯示左前額活動下降[5]。用貝克抑郁自評量表(BDI)選出的病人EEG顯示與正常人相比左前葉活動降低[6]。

盡管人腦前后部分結構上并不對稱，還是有研究探討前后部腦活動強度比率在正常人與抑郁癥病人之間是否有差異。有研究使用PET技術發現抑郁癥病人前部腦區相對于后部腦區血液灌注量小，葡萄糖新陳代謝活動較慢[7]。但是還沒有研究用EEG研究此問題。本研究將探討腦前部相對于腦后部電生理活動比值在正常人與抑郁癥病人之間的差異。其中Fp1、Fp2、F3、F44個通道EEG反映了腦前部的神經電活動，P3、P4兩通道EEG反映了腦后部的神經電活動。取這些通道FFT后的電壓密度進行(Fp1-P3)/P3, (F3-P3)/P3, (Fp2-P4)/P4, (F4-P4)/P4計算，這與以前研究左右半球腦活動不對稱性的計算方法是類似。而且以前的研究都是使用FFT后的功率值進行計算，本研究使用的是電壓密度。

2 方法與被試

2.1 被試情況

抑郁癥病人和健康人的選擇遵循著一定的排除標準，只要符合其中之一的人都不能參加實驗。排除標準為:1)不是右利手；2)最近6個月有酒精、藥物濫用或依賴；3)有腦、心、肝、腎、肺等重要臟器疾病；4)有控制不良的糖尿病；5) 有嚴重的自殺危險；6) 伴有其他精神疾病(如精神分裂癥、雙向心境障礙等)及嚴重軀體疾病;7) 年齡不在18～70歲。

正常組被試基本情況見表1，實驗前每個被試都填寫了貝克抑郁自評量表。分數都在10分以下，平均5.36分，可以認為都是非抑郁癥患者。

表1 3組被試的基本信息和相關量表評分

注：**表示經過t檢驗，正常組與抑郁癥未用藥組差異顯著，P<0.01。

抑郁癥病人被試數據收集的時間為2013年1月，地點為首都醫科大學附屬北京安定醫院。這些被試者經過安定醫院經驗豐富的精神病科醫師篩選，都達到DSM-IV標準(美國精神病標準)。基本情況見表1，每個抑郁癥患者都填寫了貝克自評量表(BDI)、嚴重度評定表(CGI-S)、漢密爾頓抑郁量表(HAMD)、抑郁快速評估量表(QIDS_SR)、特質焦慮問卷(T-AI)。其中貝克自評量表、抑郁快速評估量表(QIDS_SR)和特質焦慮問卷(T-AI)由被試自己填寫，其他量表由醫生填寫。抑郁癥未用藥組貝克自評量表平均分為16.43，高于于正常組的平均分，經t檢驗與正常組差異顯著。抑郁癥未用藥組與抑郁癥用藥組嚴重度評定表的平均分數、漢密爾頓抑郁量表平均分數、抑郁快速評估量表分數、特質焦慮問卷平均分數見表1。可以看出抑郁癥用藥組的所有量表的平均分數都低于抑郁癥未用藥組。這可能是藥物的療效。

2.2 EEG記錄與實驗情況

被試者記錄EEG時，坐在柔軟的椅子上，室內光線較弱，環境較安靜。記錄EEG時被試者閉眼，安靜地坐著。記錄時間為8 min。為了避免被試者受實驗前事件或環境的刺激，分析數據時只選擇第5到第8分鐘的EEG進行分析。記錄EEG使用的通道是10-20國際系統中的Fp1、Fp2、F3、F4、P3、P4共6個通道。其中Fp1、Fp2、F3、F4位于大腦前部額葉，P3、P4位于后部頂葉。Fp1、F3、P3分別于Fp2、F4、P4左右半球對稱位置。所有的電極與頭皮之間的阻值都在5 000 Ω以下。記錄EEG的設備為Brain Vision Recorder，采樣頻率為500 Hz。

2.3 數據分析

數據分析首先使用的是Brain Vision Analyser軟件。1)將原始數據導入該軟件;2)為設置參考電極，將Tp9、Tp102通道設置為參考電極;3)眼電糾正，將眨眼或眼動帶來的肌電影響進行糾正;4)偽跡去除，去除掉由于設備或被試者動作帶來的偽差信號;5)濾波，根據所要分析的信號頻率，適當設定波形帶寬，濾除不必要的信號;6)分段，根據標志將要進行進一步分析的腦電信號提取出來，將截取8 minEEG的后3 min;7)快速傅里葉變換(FFT)，將時域的信號轉換為頻域的信號。FFT后的單位為電壓密度;8)劃分頻帶并導出數據。頻帶是這樣劃分的：delta頻帶(0.5～3.5 Hz)， theta頻帶(4～7 Hz)， alpha1頻帶(7.5～9.5 Hz)， alpha2頻帶(10～12 Hz)，beta1頻帶(13～23 Hz)，beta2頻帶(24～34 Hz)， gamma頻帶(35～45 Hz)。圖1表示各個頻帶對應的電壓密度，之后將各個頻帶的面積分別導出。

利用各個通道EEG快速傅里葉變換后各個頻帶的電壓密度值分別計算(Fp1-P3)/P3、(F3-P3)/P3、(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4以比較大腦前后部信號比的變化。其中(Fp1～P3)/P3、(F3-P3)/P3值的正負可以比較左半球腦前后部電活動的強弱，(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4值的正負可以比較右半球前后部電活動的強弱。最后用SPSS軟件進行統計分析。

圖1 EEG快速傅里葉變換并且劃分7個頻帶后頻譜圖

Fig.1FFTbasedvoltagedensityinsevenfrequencybands

3 結果分析

表2可以看出正常組的分析結果。除了alpha2頻帶(F3-P3)/P3的平均值為負，(F4-P4)/P4的值為負外，其他各頻帶的平均值都為正。這表明正常人腦前部的電壓密度大于腦后部的電壓密度，腦前部的神經電活動強于腦后部。

表3為抑郁癥未用藥組的分析結果，除了alpha2頻帶的(F4-P4)/P4為0，delta頻帶的(F4-P4)/P4為0.266，gamma頻帶的(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4分別為0.708、0.085外，其他大部分均值都為負值。這表明抑郁癥未用藥病人腦前部電壓密度小于腦后部的電壓密度，腦前部的神經電活動弱于腦后部。表4為抑郁癥用藥組的分析結果，每個頻帶都有負值和正值。并且(Fp1-P3)/P3、 (F3-P3)/P3、(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4這幾項計算中數值也有正有負，但是正值的地方比抑郁癥未用藥組多，比正常組少。表2～4中括號內為標準差。

表2 正常組各頻帶前后部電壓密度比較

表3 抑郁癥未用藥組各頻帶前后部電壓密度比較

表4 抑郁癥用藥組各頻帶前后部電壓密度比較

本研究使用t檢驗探索正常組與抑郁癥未用藥組的差異、正常組與抑郁癥用藥組的差異。從表5可以看出正常組與抑郁癥未用藥組大部分頻帶存在顯著差異，特別是右側的(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P42項差異顯著的頻帶較多。這表明正常人的前后部腦活動與抑郁癥病人存在顯著差異，正常人腦前部較腦后部神經電活動較強，抑郁癥病人則相反，腦前部較腦后部神經電活動較弱。從表6可以看出正常組與抑郁癥用藥組有些頻帶存在顯著差異，與表5相比，這些差異的地方就少多了。這可能表明抑郁癥用藥組由于藥物治療的作用，與未用藥組相比，前后不對稱性情況有所改善。

表5 正常組與抑郁癥未用藥組在各個頻帶t檢驗結果

注：*表示P值小于0.05，差異顯著。

表6 正常組與抑郁癥用藥組在各個頻帶t檢驗結果

注：*表示P值小于0.05，差異顯著。

本研究主要通過比較抑郁癥未用藥組、抑郁癥用藥組和正常控制組的前后部腦電活動的差異進行了比較。 結果表明正常人腦前部神經電活動強于腦后部。抑郁癥未用藥病人腦前部神經電活動弱于腦后部。抑郁癥用藥病人腦前部生物電活動弱于腦后部，但比未用藥抑郁癥病人的這種不對稱性減弱。研究發現單相抑郁癥與前部腦區左半球相對右半球活動下降存在聯系[4]。臨床抑郁癥病人比正常人相對而言，顯示左前額活動下降[5]。有研究認為抑郁癥的alpha頻帶腦神經電活動的在前部的左右不對稱性反映了個體的某種情感風格和動機偏見[8]。左前部EEG偏側(左前部比右前部腦活動強)可能與接近動機和積極情感的行為有關，而那些顯示右前部EEG偏側(右前部比左前部腦活動強)可能與退縮和消極情感相聯系的行為有關[9]。有研究表明前部靜息態EEG不對稱對成年人同時存在的情感障礙敏感而且可能是青年人處于情感障礙危險時的特征[10]。另外還有研究認為，根據社會因素理論，慢性壓力和其它逆境與低社會經濟地位對抑郁癥的發生聯系起來。根據社會選擇理論，生物的和環境的因素對抑郁癥的發生有貢獻，反之導致社會趨勢向更低的社會經濟階層轉變。已有發現對這兩種觀點都支持[11]。存在類人猿的證據表明壓力能導致神經傳遞功能偏側性的改變，這種功能表現為與焦慮相目前抗抑郁劑在治療抑郁癥中扮演著重要角色。本研究中抑郁癥用藥組在腦前后部神經電活動比值中負值數目少于抑郁癥未用藥組的結果，這應該是抗抑郁劑的治療作用的表現。EEG被認為是預測治療效果特別有用的技術，它對抗抑郁劑的起效過程很敏感[12]。本研究中對抑郁癥病人腦前后部神經電活動比值與正常人存在差異的發現，用于抗抑郁劑療效的預測也是可行和方便的，并且這個發現有益于抑郁癥計算機自動診斷的實現。關行為有關[13]，而抑郁癥最明顯的癥狀就是焦慮。一個研究從相關和多重回歸結果看來，社會經濟地位對前部腦偏側化存在直接原因效應，而母親抑郁史僅有弱的直接效應[14]，表明遺傳因素并不是引起抑郁癥的主要因素。還有研究發現存在大量的因素并非慢性的壓力與社會經濟地位能對腦產生偏側化相關。這些因素包括母親的溫暖，同伴群體的不穩定，社會支持，和認知刺激[15]。本研究發現抑郁癥患者的左右大腦的前后部不對稱性都與正常控制組有差別，左半球的前部活動弱于后部腦活動，可能反映了抑郁癥在接近動機和積極情感方面的削弱；而右半球的前部活動也要弱與后部腦活動，這可能反映了抑郁癥的高焦慮程度。

4 結束語

功率與電壓密度都可以將靜息態EEG做FFT后得到，都能劃分出alpha、beta等頻帶，但是電壓密度在數值上遠大于功率，這樣在進一步分析計算時，不用取對數，簡化了數據處理。與以往研究多使用功率值不同，本研究采用電壓密度分析腦電信號的強度。盡管已有大量研究發現抑郁癥在左右半腦前部的不對稱性，但是是否在前后部不對稱性上抑郁癥與正常人存在差異，還缺乏相應的腦電證據。未來將進一步探討本結論的穩定性，即時間上的持續性，也將針對抑郁癥的焦慮程度對抑郁癥的EEG進一步分析，以確定具有診斷和療效預測的EEG指標。

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