字母短時(shí)記憶下正常成年人40hzERP非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)的比較①

楊 田，朱曉峰

(佳木斯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所，黑龍江 佳木斯 154007)

字母短時(shí)記憶下正常成年人40hzERP非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)的比較①

楊 田，朱曉峰

(佳木斯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所，黑龍江 佳木斯 154007)

目的：比較分析不同程度認(rèn)知負(fù)荷字母短時(shí)記憶下正常成年人40hz腦電信號(hào)的變化，以初步了解認(rèn)知負(fù)荷對大腦40hzERP信號(hào)的影響，初步探討字母短時(shí)記憶刺激事件及其負(fù)荷程度對40hzERP研究的量化性，初步評價(jià)在該刺激事件下非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)用性。 方法：選取正常成年人50例，給予不同認(rèn)知負(fù)荷字母短時(shí)記憶刺激，采集腦電信號(hào)并用非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)常用指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。 結(jié)果：①正常成年人在不同認(rèn)知負(fù)荷字母短時(shí)記憶刺激下，大腦各導(dǎo)聯(lián)非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)均有顯著變化，并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；②正常成年人在認(rèn)知活動(dòng)中的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)值高于安靜狀態(tài)下，在安靜睜眼和閉眼狀態(tài)下無明顯高頻信號(hào)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理未求得非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 結(jié)論：① 字母短時(shí)記憶重復(fù)再認(rèn)可以作為誘導(dǎo)大腦高頻信號(hào)的適宜刺激事件；②非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度及近似熵可以作為大腦高級(jí)神經(jīng)認(rèn)知活動(dòng)的檢測指標(biāo)。

字母短時(shí)記憶；認(rèn)知負(fù)荷；40hzERP；非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)

隨著時(shí)代發(fā)展，高級(jí)神經(jīng)認(rèn)知功能障礙性疾病[1]越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)在對其診斷和臨床治療等方面的難題也吸引了很多專業(yè)人士為之奮斗努力，經(jīng)過前人多年的刻苦研究，人們發(fā)現(xiàn)在該類疾病早期階段識(shí)別出輕程度認(rèn)知障礙患者并加以干預(yù)對其臨床治療和預(yù)后具有重要意義.目前用于認(rèn)知功能障礙患者的臨床診斷方法主要有國際認(rèn)知功能記憶評分量表[2]、功能磁共振成像、正電子放射斷層掃描、常規(guī)腦電圖[3]，但是這些手段都各自有其不足之處，比如記憶量表結(jié)果帶有主觀性，常規(guī)腦電圖只針對癲癇的診斷有特異性等，因此必須尋找出能克服以上不足的診斷手段才能到達(dá)早期識(shí)別高級(jí)神經(jīng)認(rèn)知功能障礙患者，事件相關(guān)性腦電位中的高頻成分40hzERP[4]經(jīng)過近幾年的深入研究后被發(fā)現(xiàn)它與人大腦高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)有密切關(guān)聯(lián)，且具有各種優(yōu)勢可以避免這些不足，但由于大腦工作機(jī)制的復(fù)雜性以及高頻腦電信號(hào)的低波幅、彌散規(guī)律性差等特點(diǎn)，目前還沒有確定出能誘導(dǎo)出40hzERP的標(biāo)準(zhǔn)刺激事件，也沒有發(fā)現(xiàn)將高頻腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為能直接診斷的金指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)欲先以正常人入手，分析字母短時(shí)記憶變化對40hzERP非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，以期望能找到適宜的刺激事件并確定其適宜認(rèn)知負(fù)荷，找到能用于早期臨床診斷認(rèn)知功能障礙的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值。

人大腦對外界任何刺激都會(huì)做出相應(yīng)反應(yīng)，不同的刺激事件會(huì)激發(fā)出大腦不同的工作狀態(tài)，啟用不同的神經(jīng)認(rèn)知功能，這時(shí)我們可以在頭皮表面經(jīng)電極記錄到腦電信號(hào)，發(fā)現(xiàn)該腦電信號(hào)特征與神經(jīng)認(rèn)知功能的關(guān)聯(lián)性，近年研究發(fā)現(xiàn)其中高頻腦電信號(hào)最能代表大腦高級(jí)認(rèn)知功能，雖然這種高頻成分波幅低頻率快、彌散無固定波形，但仍具有混沌特征[5]，因此可以引用混沌相關(guān)理論[6]，用非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)來分析不同狀態(tài)下腦電信號(hào)的變化，代替以往對腦電波形特征性成分的分析[7]。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

通過志愿選取佳木斯大學(xué)大一學(xué)生50例，男女比例1:1，平均年齡在19歲，經(jīng)臨床檢查均無影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)疾病，經(jīng)心理學(xué)測試均無明顯認(rèn)知障礙，所有被試者均為右利手，高考成績相當(dāng)。

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采取N-back任務(wù)模式[8]，該任務(wù)是一連串的英文字母依次呈現(xiàn)在屏幕上，每個(gè)字母呈現(xiàn)時(shí)間和間隔時(shí)間均為1秒，要求被試者在當(dāng)前字母與之前相隔第n個(gè)字母重復(fù)時(shí)做出反應(yīng)，通過分別取N=0、1、2、3來控制認(rèn)知負(fù)荷大小，當(dāng)N=0時(shí)要求被試者遇到相鄰字母重復(fù)出現(xiàn)時(shí)做出反應(yīng)，當(dāng)N=1時(shí)則要求被試遇到相隔一個(gè)字母重復(fù)出現(xiàn)時(shí)做出反應(yīng)…當(dāng)N=3時(shí)則要求被試遇到相隔三個(gè)字母重復(fù)出現(xiàn)時(shí)做出反應(yīng)，每個(gè)被試者在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天前夕一定要保證充足睡眠，避免空腹測試，測試前洗頭并吹干，每個(gè)被試需依次經(jīng)過N=0、1、2、3的整個(gè)測試。

實(shí)驗(yàn)?zāi)X電信號(hào)采集采用國際腦電圖學(xué)會(huì)制定的10-20系統(tǒng)32導(dǎo)電極帽，依次對被試者進(jìn)行安靜睜閉眼眼兩分鐘及不同負(fù)荷認(rèn)知下的腦電測試，后臺(tái)記錄每個(gè)腦電極信號(hào)，通頻寬度為0.05～100hz，采樣頻率為1000hz，選用A1、A2平均值作為參考電極[9]。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 正常成年人在不同認(rèn)知負(fù)荷字母短時(shí)記憶刺

激下，大腦各導(dǎo)聯(lián)非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)均有顯著變化，并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，從結(jié)果看出非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨著同一性質(zhì)刺激事件認(rèn)知負(fù)荷難度的增加而增大。

3.2 正常成年人在認(rèn)知活動(dòng)中的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)值高于安靜狀態(tài)下，在安靜睜眼和閉眼狀態(tài)下無明顯高頻信號(hào)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理未求得非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

正常人大腦部分導(dǎo)聯(lián)(FP1、FP2、T3、T4、O1、O2、O3)在不同認(rèn)知負(fù)荷(N=0、1、2、3)狀態(tài)下的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)值，見表1～3。

表1 部分導(dǎo)聯(lián)關(guān)聯(lián)維數(shù)在不同認(rèn)知負(fù)荷狀態(tài)下的比較±s)

表2 部分導(dǎo)聯(lián)復(fù)雜度在不同認(rèn)知負(fù)荷狀態(tài)下的比較±s)

表3 部分導(dǎo)聯(lián)近似熵在不同認(rèn)知負(fù)荷狀態(tài)下的比較±s)

4 結(jié)論

4.1 字母短時(shí)記憶重復(fù)再認(rèn)可以作為誘導(dǎo)大腦高頻信號(hào)的適宜刺激事件。

4.2 非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度及近似熵可以作為大腦高級(jí)神經(jīng)認(rèn)知活動(dòng)的檢測指標(biāo)。

5 討論

刺激事件既要具有臨床研究的可行性，又要能保證刺激后所得腦電信號(hào)的可靠性。經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)研究，雖發(fā)現(xiàn)字母短時(shí)記憶任務(wù)可以作為大腦高頻信號(hào)的刺激事件，但是還有諸多難題仍未解決，如對刺激事件屬性的標(biāo)準(zhǔn)化、刺激事件難度的設(shè)定以及是否還存在有其他更好的刺激事件等關(guān)鍵性難點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)認(rèn)知負(fù)荷過大時(shí)，被試者會(huì)難以配合實(shí)驗(yàn)，這樣采集到的腦電信號(hào)出現(xiàn)很多干擾，不利于數(shù)據(jù)分析，因此，只有標(biāo)準(zhǔn)刺激事件才能得到標(biāo)準(zhǔn)的具有說服力的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)值，從而建立相應(yīng)刺激事件下的正常范圍值以識(shí)別高級(jí)神經(jīng)認(rèn)知功能障礙患者，早期診斷出輕度認(rèn)知功能障礙并對其施以干預(yù)，阻礙認(rèn)知功能障礙的發(fā)展，提高治愈率.

[1]何云燕.卒中后認(rèn)知功能障礙危險(xiǎn)因素的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].中國城鄉(xiāng)企業(yè)衛(wèi)生,2014,12(6):11-12

[2]王澤宇, 朱曉峰.蒙特利爾認(rèn)知量表和MMSE量表在阿爾茨海默病篩查中的比較與應(yīng)用[J].黑龍江醫(yī)藥科學(xué)，2011,34(4):40

[3]羅躍嘉，姜揚(yáng)，程康.認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)教程[M].北京:北京大學(xué)出版社，2006:93-130

[4]王澤宇，朱曉峰，盛寶英. 阿爾茨海默病患者圖形和漢字短時(shí)記憶的40Hz腦電的研究[D].佳木斯大學(xué)，2014

[5]楊紅軍，胡三覺.混沌在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用[J].生理科學(xué)進(jìn)展，2002,33(3)：259-261

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[9]陳士輝，胡三清.腦電信號(hào)中參考信號(hào)的研究與應(yīng)用[D].杭州電子科技大學(xué)，2014

A comparison of normal adults’ forty hertz nonlinear dynamics parameter under letters short-term memory

YANGTian,ZHUXiao-feng

(Neuroscience Institute of Jiamusi University, Jiamusi 154007,China)

Objective: To analyze the changes of normal adults’ forty Hertz brain electrical signal under different degrees of cognitive load letters short-term memory so as to preliminarily understand the effects of cognitive load on brains’ forty hertz brain electrical signal; to preliminarily discuss the quantification of letters short-term memory stimulus and its degree of load about the forty event-related brain potentials research; to preliminarily evaluate the practicability of nonlinear dynamic parameters under this stimulus. Methods: Fifty normal adults were given different degrees of cognitive load letters short-term memory. Then EEG signals was collected and analyzed by using nonlinear dynamic parameters commonly used indicators. Results:Under different degrees of cognitive load letters short-term memory, normal adult brains’ nonlinear dynamic parameters on every lead has obvious and statistically significant changes (P<0.05);normaladultbrains’nonlineardynamicparametersinthecognitiveactivityisgreaterthantheirsinthequietcondition.therehasn’tbeenobviouspresenceofhighfrequencysignalsunderthequietstateofopeningandclosingoureyes.wecan’tobtainthenonlineardynamicparametersbydataprocessing. Conclusion: Repeated recognition of letter short-term memory can be used as appropriate exciting event to induce brain’s high frequency signals. Nonlinear dynamic parameters, such as correlation dimension, complexity and approximate entropy, can be used as the measurements of brain’s advanced-neural cognitive activity.

letters short-term memory; cognitive load; forty event-related brain potentials; nonlinear dynamic parameters

楊田(1988～)男，湖北利川人，在讀碩士研究生。

朱曉峰(1963～)男，山東蓬萊人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。E-mail：zhuxiaofeng1227@163.com。

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1008-0104(2017)01-0080-02

2015-11-04)