聽覺和視覺認知電位P300系列成分的臨床電生理學特征*

張萍淑孔祥慧元小冬△雷 軍王淑娟吳小英陶 莉張 健王 京

①中國.華北理工大學附屬開灤總醫院神經內科(河北唐山) 063000 ②河北省神經生物機能重點實驗室(河北唐山) ③河北省唐山市神經病學重點實驗室 △通訊作者 E-mail:yxd69@sohu.com

聽覺和視覺認知電位P300系列成分的臨床電生理學特征*

張萍淑①②③孔祥慧①元小冬①②③△雷 軍①王淑娟①②③吳小英①②③陶 莉①②③張 ?、佗冖弁?京①②③

①中國.華北理工大學附屬開灤總醫院神經內科(河北唐山) 063000 ②河北省神經生物機能重點實驗室(河北唐山) ③河北省唐山市神經病學重點實驗室 △通訊作者 E-mail:yxd69@sohu.com

目的:通過對視覺和聽覺事件相關電位P300系列成分的研究,了解其臨床電生理學特征,從而為臨床評價腦認知功能的狀態提供依據。方法:使用經典的Odball P300刺激范式對29名志愿者分別進行視覺、聽覺刺激,采用64導ERP數據采集分析系統進行數據采集及離線分析。使用SPSS 17.0對所得數據進行統計分析。結果:聽覺P1波幅和潛伏期的性別主效應均顯著(F=5.44,22.45;P=0.02,0.00),N1波幅的性別和電極部位主效應也均顯著(F=4.50,17.85;P=0.04,0.00),P2波幅的電極部位主效應明顯(F=17.64,P=0.00);而視覺P1、N1、P2的波幅和潛伏期中,僅P2波幅的電極部位主效應顯著(F=3.51,P=0.04)。視覺性P1、N1、P2電位潛伏期明顯小于聽覺性P1、N1、P2(F=20.45,104.12,107.26;P=0.00),P1和N1的波幅明顯低于聽覺性P1、N1(F=7.05, 133.82;P=0.01,0.00),聽覺性N2、P300電位潛伏期明顯大于視覺性N2和P300(F=52.43,52.64;P=0.00),視覺N2的波幅也明顯高于聽覺性N2(F=26.00,P=0.00),但視覺性P300波幅與聽覺性P300無差異(F=0.00,P= 0.989)。結論:聽覺誘發電位具有早期外源性感知電位影響因素較多,P300等晚期內源性認知電位雖然相對穩定,但有波幅較低的缺點;視覺誘發電位早期外源性感知電位同樣結果較穩定但波幅低,而晚期內源性認知電位具有波幅高和波形分化好的優點。因此同時檢測視覺和聽覺P300能夠更加準確地評價大腦的認知功能。

視覺誘發電位;聽覺誘發電位;P300電位;腦認知功能;外源性感知電位;內源性認知電位

事件相關電位(Event—related Potential,ERP)是給予神經系統特定刺激或撤消刺激時,大腦對刺激信息進行加工,從而在腦的相應部位產生與刺激有固定時間間隔和特定位相的生物電反應[1]。通常腦電波的成分復雜而且不規則,一般為幾微伏至75微伏[2]。由心理活動所引起的腦電波很弱,一般都淹埋在正常的自發腦電活動之中[3]。然而,我們可以應用疊加技術從腦電圖中提取出這種與事件發生有固定鎖時關系的事件相關腦電波,即ERP。經典的ERP包括與運動等相關的外源性感知電位成分和反映大腦執行認知任務時大腦信息處理過程的內源性認知電位成分。認知電位P300已廣泛應用于神經心理和認知功能障礙的研究[4]。

P300是將小概率事件作為靶目標刺激時誘發產生的一組晚正復合波成分,出現在相關目標刺激后約300ms左右[5]。一般靶目標刺激呈現的概率要遠遠小于非靶目標刺激[6],經典的oddball刺激模式可以誘發出P1、N1、P2、N2、P300等電位成分,其中P1、N1、P2為早期外源性感知電位,而N2、P3成分為內源性認知電位成分[7]。目前認為ERP是評價認知功能狀態的最重要客觀指標之一[8],但國內外關于P300電位臨床應用的研究主要集中在聽覺事件相關電位P300,用其作為評估和診斷認知功能狀態的指標。很少對于視覺通道刺激產生的事件相關電位P300在認知功能評價中的意義進行研究。視覺性認知電位P300在認知功能狀態評價中的作用不如聽覺P300敏感嗎?兩者之間關系如何及其臨床電生理學特征尚不完全清楚。本項研究通過對視覺和聽覺事件相關電位P300系列成分的檢測,對其臨床電生理學特征以及兩者之間的關系進行分析,從而尋找適用于臨床評價腦認知功能的電生理學方法和指標,為診斷早期認知功能障礙提供理認依據。

1 對象與方法

1.1 對象

不同年齡層次、不同學歷的29名健康志愿者,所有志愿者均為右利手。志愿者年齡分布為23～67歲,平均(40.66±13.707)歲。其中初中學歷4人(13.8%)、中專學歷3人(10.3%)、大學學歷7人(24.1%)、研究生學歷15人(51.7%)。所有志愿者進行簡易智能量表(MMSE)、Zung氏焦慮量表(SAS)、Zung氏抑郁量表(SDS)檢查以了解其精神狀態。正常志愿者的MMSE為(29.83±0.54)分。焦慮自評量表(SAS)評定的標分(36.21±6.94)分,抑郁自評量表(SDS)評定的標分為(40.69±7.10)分,均正常。所有的志愿者進行聽閾及視力檢測,結果均正常,排除視聽力障礙對實驗結果的影響。本實驗排除了既往患有影響智能情況的內科疾病及顱腦外傷史。均簽署了知情同意書。

1.2 方法

所有志愿者分別進行視覺及聽覺兩種ERP刺激模式。均采用經典的Odball范式。所有實驗都需在ERP多功能實驗艙中進行以排除電磁、聲音等干擾。打開實驗艙的供氧及排風系統保證被試者的需氧量。實驗開始后志愿者被要求靜坐于電腦顯示器前。每次正式試驗開始前都會進行1分鐘的預實驗使志愿者了解、熟悉整個實驗流程。視覺刺激P300實驗開始前志愿者會被提示盯著屏幕中央,會出現兩種數字2或者8,隨機呈現,當出現小概率數字2時點擊鼠標左鍵。同樣,聽覺刺激P300實驗開始前會被提示盯著屏幕中央的紅色的“+”,耳機中會有人讀數字2或者8,當聽見小概率數字2時點擊鼠標左鍵。

1.3 統計處理

使用Neroscan 64導腦電采集系統進行數據的采集,整個實驗進程中工作人員的操作均在實驗艙外進行,盡量減少對志愿者的腦電干擾。電極位置按照國際腦電圖協會的10-20系統進行排布。采樣率調整到1000HZ。電阻需降低到5KΩ以下。以兩耳乳突位置作為參考電極,盡量避開血管部位防止引入心電。左眼上下1cm、左右眼外側1cm總共放置4個電極用以排除眼電。數據處理過程中需融合行為數據,只疊加平均應答正確的數據。最后得到FZ、CZ、PZ3個電極的數據[9]。計量資料以(ˉx ±s)表示,最終使用SPSS 17.0對數據進行重復測量方差分析,以P＜0.05具有統計學意義,并對所有志愿者的數據進行疊加平均得到組平均數據。

2 結 果

2.1 視覺性P300及其相關電位的測定結果

視覺性P1、N1、P2、N2、P300的波幅分別為(0.48±1.19)μν、(-2.63±1.75)μν、(3.49±2.82)μν、(-3.62±2.73)μν、(6.10±3.35)μν,潛伏期為(47.47±31.51)ms、(103.52±38.45)ms、(185.79±38.92) ms、(268.17±30.54)ms、(370.52±26.69)ms。P1波幅和潛伏期的性別和電極部位主效應均不明顯(P＞0.05),也均無效互作用(P＞0.05)。N1波幅的性別主效應顯著(F=6.54,P=0.01),男性波幅低于女性(-2.15±1.26、-3.08±2.03μν,P＜0.05);但潛伏期的性別和電極部位主效應不明顯(P＞0.05),也均無交互作用(P＞0.05)。P2波幅的電極部位主效應顯著(F=3.51,P=0.04),以FZ電極部位的波幅最高(P=0.01);但P2潛伏期的性別和電極部位主效應均不明顯(P＞0.05),且均無交互作用(P＞0.05)。N2波幅和潛伏期的性別和電極部位主效應均不明顯(P＞0.05),也無交互作用。P300波幅的性別主效應顯著(F=11.43,P= 0.00),男性波幅明顯低于女性(4.90±2.67、7.23± 3.54μν,P＜0.01),但交互作用不明顯(P＞0.05); P300潛伏期的性別主效應顯著(F=7.40,P= 0.008),男性明顯大于女性(378.29±29.67、363.27 ±21.46 ms,P＜0.01),但交互作用不明顯(P＞0.05)。

圖1 不同刺激形式誘發的ERP主要相關電位的總平均圖和腦電地形

2.2 聽覺性P300及其相關電位的測定結果

聽覺性P1、N1、P2、N2、P300的波幅分別為(0.98±1.28)μν、(-6.24±2.32)μν、(3.50±2.17)μν、(-1.75±2.05)μν、(6.11±2.91)μν,潛伏期為(63.66 ±26.16)ms、(147.55±11.91)ms、(233.62±18.46) ms、(304.95±36.22)ms、(403.09±32.27)ms。P1波幅和潛伏期的性別主效應均顯著(F=5.44、22.45,P=0.02、0.00),男性的波幅高于女性(1.30± 1.18、0.68±1.31μν,P=0.02),但男性潛伏期大于女性(76.17±15.92、51.98±28.51 ms,P=0.00),交互作用均不明顯(P＞0.05)。N1波幅的性別和電極部位主效應均顯著(F=4.50、17.85,P=0.04、0.00),男性的波幅低于女性(-5.78±2.03、-6.67± 2.51μν,P=0.04),以PZ電極部位波幅最高(P＜0.01),無明顯交互作用(P＞0.05);潛伏期的性別主效應顯著(F=11.24,P=0.00),男性潛伏期長于女性(151.79±10.96,143.60±11.50),電極部位主效應不明顯(P＞0.05),且均無交互作用(P＞0.05)。P2波幅的電極部位主效應明顯(F=17.64,P= 0.00),以FZ電極部位波幅最高(P=0.00);但P2潛伏期的性別和電極部位主效應均不明顯(P＞0.05),且均無交互作用(P＞0.05)。N2波幅的性別主效應顯著(F=14.57,P=0.00),男性明顯高于女性(-2.56±2.04、-1.00±1.77μν,P=0.00),但交互作用不明顯(P＞0.05);然而,潛伏期的性別和電極部位主效應不明顯(P＞0.05),也均無交互作用(P＞0.05)。P300波幅和潛伏期在性別和電極部位的主效應均不明顯(P＞0.05),交互作用不明顯(P＞0.05)。

表1 視覺和聽覺事件相關電位P300主要相關電位波幅的測定分析結果(μv,±s)

表1 視覺和聽覺事件相關電位P300主要相關電位波幅的測定分析結果(μv,±s)

注:*P＜0.05,**P＜0.01,下同

電極 P100聽 覺 視 覺 N100聽 覺 視 覺 P200聽 覺 視 覺 N200聽 覺 視 覺 P300聽 覺 視 覺FZ 1.28±1.46 0.58±1.26** -7.45±2.07-2.37±1.18** 4.68±2.10 4.30±2.41 -1.68±2.07-3.79±2.26** 6.16±2.87 5.89±3.20 CZ 1.10±1.21 0.55±1.30** -6.74±2.11-2.37±1.58** 3.92±2.01 3.75±2.98 -2.16±2.39-4.35±3.04** 6.24±3.14 5.96±3.69 PZ 0.60±1.08 0.32±0.99** -4.52±1.73-3.16±2.26** 1.90±1.26 2.43±2.81 -1.42±1.62-2.72±2.67** 6.11±2.91 6.46±3.21

表2 視覺和聽覺事件相關電位P300主要相關電位潛伏期的測定分析結果(ms,±s)

表2 視覺和聽覺事件相關電位P300主要相關電位潛伏期的測定分析結果(ms,±s)

電極 P100聽 覺 視 覺 N100聽 覺 視 覺 P200聽 覺 視 覺 N200聽 覺 視 覺 P300聽 覺 視 覺FZ 65.03±23.02 44.23±40.12** 147.00±9.27 100.10±37.03** 234.07±17.58 181.52±43.20** 311.24±36.02 273.21±36.29** 401.21±33.37 375.24±22.73**CZ 63.14±26.84 48.54±35.34** 148.17±16.45 102.17±37.18** 232.07±16.65 183.97±36.81** 305.59±31.95 267.69±30.45** 404.72±33.48 372.83±28.84**PZ 60.79±29.14 49.72±38.22** 147.48±16.45 108.28±41.84** 234.72±21.37 191.90±37.01** 298.03±40.26 263.62±23.94** 403.34±30.95 363.48±27.56**

表3 不同刺激類型誘發的腦事件相關電位的波幅和潛伏期的分析結果(±s)

表3 不同刺激類型誘發的腦事件相關電位的波幅和潛伏期的分析結果(±s)

刺激方式 P100波 幅 潛伏期 N100波 幅 潛伏期 P200波 幅 潛伏期 N200波 幅 潛伏期 P300波 幅 潛伏期視覺0.48±1.19 47.47±31.51-2.63±1.75 103.52±38.45 3.49±2.82 185.79±38.92-3.62±2.73 268.17±30.54 6.10±3.35 370.52±26.69聽覺0.98±1.28 63.66±26.16-6.24±2.32 147.55±11.91 3.50±2.17 233.62±18.46-1.75±2.05 304.95±36.22 6.11±2.91 403.09±32.27 F 7.34 21.39 170.4 101.32 0 106.94 26.55 51.35 0 51.67 P 0.01 0 0 0 0.95 0 0 0 0.99 0

2.3 視覺與聽覺性P300相關電位的分析結果

P1波幅和潛伏期的視聽刺激類型主效應均明顯(F=7.34,21.39;P=0.01),聽覺性P1的波幅和潛伏期均明顯大于視覺P1(F=7.05,20.45;P= 0.01)。N1波幅和潛伏期的視聽刺激類型主效應也均明顯(F=170.40,101.32;P=0.00),聽覺N1波幅和潛伏期均明顯高于視覺N1(F=133.82, 104.12;P=0.00)。P2波幅的視聽刺激類型主效應不明顯(F=0.00,P=0.95),但P2潛伏期的視聽刺激類型主效應明顯(F=106.94,P=0.00),聽覺P2潛伏期明顯大于視覺P2(F=107.26,P=0.00)。N2波幅和潛伏期的視聽刺激類型主效應均明顯(F =26.55,51.35;P=0.00),聽覺N2波幅明顯低于視覺N2波幅(F=26.00,P=0.00),但聽覺N2潛伏期明顯大于視覺N2(F=52.43,P=0.00)。P300波幅的視聽刺激類型主效應不明顯(F=0.04,P= 0.96),聽覺P300波幅與視覺P300無差異(F= 0.00,P=0.989);但P300潛伏期的視聽刺激類型主效應明顯(F=51.67,P=0.00),聽覺P3潛伏期明顯大于視覺P3潛伏期(F=52.64,P=0.00)。

3 討 論

研究結果顯示,在聽覺刺激引發的P1、N1、P2等3種早期外源性腦誘發電位成分中,P1的潛伏期和波幅均明顯受被試者的性別等生理因素的影響,在男性的P1潛伏期比女性要長,但男性的波幅則高于女性,說明在成年男性雖然大腦感知聽覺刺激目標的速度比女性慢,但其產生的感知強度要比女性強。在相繼產生的N1成分潛伏期和波幅也均與性別有關,但電極部位僅影響波幅;而P2電位的潛伏期和波幅均不受被試者性別的影響,電極部位也僅影響波幅,這提示聽覺腦誘發電位的早期外源性感知電位成分無論是潛伏期還是波幅明顯受到性別和記錄電極部位等多種因素的影響,而且對于不同電位成分的影響特征具有多變性,需要對于結果進行多方面的校正,明顯增加了分析難度[10]。然而,在聽覺刺激引起的N2和P300等腦的內源性認知電位成分中,N2的潛伏期不受性別和電極部位的影響,僅其產生的波幅明顯與被試者的性別有關,男性明顯高于女性;P300的波幅和潛伏期均不受被試者的性別和電極部位的影響。因此,聽覺誘發電位產生的N2和P300等中晚期的內源性認知電位成分受到性別等生理因素和電極部位等外源性因素的影響較小,其結果的穩定性相對較高[11]。

然而,在視覺刺激引發的P300等相關電位中, P1、N1、P2等3個外源性早期感知電位成分中的P1波幅和潛伏期均不受被試者的性別和電極部位的影響;N1和P2的潛伏期也不受這些因素的影響,僅N1的波幅與性別和P2的波幅與電極部位有關系,在女性N1的波幅更高,P2的波幅受到記錄電極部位的影響,以FZ電極部位P2的波幅最高。因此,腦視覺誘發電位的早期外源性成分受性別和記錄電極部位等因素的影響程度明顯少于聽覺誘發電位,影響其結果的混雜因素較少,檢測結果的分析較容易和準確性更高[12],因此視覺誘發電位產生的P1、N1、P2等早期外源性感知電位成分受到性別等生理因素和電極部位等外源性因素的影響較小,其結果的穩定性高[13]。在內源性認知電位成分中,雖然N2的波幅和潛伏期不受性別和電極部位的影響,但P300的潛伏期和波幅均與被試者的性別有關,男性的潛伏期比女性長和波幅比女性低。因此,在視覺認知電位P300受性別等生理因素的影響較大,檢測結果的影響因素較多,結果的穩定性較差,臨床檢測結果的分析難度較大[14]。

當我們對于聽覺和視覺誘發電位進行對比分析發現,視覺性P1、N1、P2這些早期外源性腦感知電位成分的潛伏期均明顯小于聽覺性P1、N1、P2電位,P1和N1的波幅也明顯低于聽覺性P1、N1,說明視覺性P300的早期外源性腦感知電位反應成分雖然比聽覺性P300反應快捷,結果的穩定性也較好,但激活腦中樞反應的強度比聽覺要弱[15]。然而,視覺刺激引起的N2、P300這些晚期內源性腦認知電位成分不但潛伏期明顯小于聽覺性N2和P300,而且視覺性N2的波幅也明顯高于聽覺性N2,同時視覺性P300的波幅與聽覺性P300也沒有差異,從而提示視覺誘發的N2和P300等晚期內源性腦認知電位雖然結果的穩定性相對較差,但要比聽覺敏感而且激活腦中樞的強度也更高,因此視覺性腦P300認知電位是臨床評價和分析大腦的認知功能狀態的重要指標[16]。

由此可見,同時檢測視覺和聽覺P300相關電位,不但能夠避免聽覺誘發電位早期外源性感知電位的影響因素多和結果穩定性差,P300等晚期內源性認知電位雖然相對穩定,但波幅較低和波形分化差;同時,還能避免視覺誘發電位早期外源性腦感知電位雖然結果較穩定但波幅低和波形分化差以及晚期內源性認知電位穩定性較差等缺點。因此,綜合分析視覺和聽覺P300相關電位對于評價大腦的認知功能具有非常重要的臨床意義。

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Clinical Electrophysiological Characteristics of P300 Series of Auditory and Visual Cognitive Potentials

ZHANG Pingshu,KONG Xianghui,YUAN Xiaodong,et al
Department of Neurology,Affiliated Kailuan General Hospital of North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China

Objective:To provide evidence for the clinical evaluation of brain cognitive function by studying the P300 series of visual and auditory event related potentials and their clinical electrophysiological characteristics.Methods:First,using the classic Odball P300 stimulus paradigm to perform visual and auditory stimuli in 29 volunteers. Then,Using 64-channel ERP data acquisition and analysis system to make data acquisition and off-line analysis. Finally,using the SPSS 17.0 to make statistical analysis of the data obtained.Results:Auditory P1 amplitudes and latency showed significant main effects of genders(F=5.44,22.45;P＜0.05);Auditory N1 amplitudes showed significant main effects of genders and electrode sites(F=4.50,17.85;P＜0.05);Auditory P2 amplitudes showed significant main effects of electrode sites(F=17.64,P＜0.05).But,in visual P1,N1,P2 amplitudes and latency,only P2 amplitudes showed significant main effects of electrode sites(F=3.51,P＜0.05).The latency of visual P1,N1 and P2 was significantly shorter than the latency of auditory P1,N1 and P2(F=20.45,104.12,107.26;P＜0.001);The amplitudes of visual P1 and N1 was significantly lower than the amplitudes of auditory P1 and N1(F=7.05,133.82;P＜0.05).The latency of auditory N2 and P300 was significantly longer than the latency of visual N2 and P300(F= 52.43,52.64;P＜0.001).The amplitudes of visual N2 was significantly higher than the amplitudes of auditory N2(F =26.00,P＜0.001).But there was no difference in the amplitudes of visual P300 and auditory P300(P＞0.05).Conclusion:Auditory evoked potentials have the following disadvantages:There are many factors that affect the exogenous perception potentials of the early stage.P300 and other advanced endogenous cognitive potentials are relatively stable,but their amplitudes are relatively low.As for visual evoked potentials,exogenous perception potentials of the early stage have a relatively stable result but low amplitudes,but visual advanced endogenous cognitive potentialshave advantages of high amplitudes and good polarization of waveforms.Therefore,it can be more accurate to evaluate the cognitive function of the brain by the simultaneous detection of visual and auditory P300.

Visual evoked potentials;Auditory evoked potentials;P300 potencials;Brai cognitve function;Exogenous perception potentials;Endogenous cognitne potentias

R395.1

A

1005-1252(2017)01-0016-05

10.13342/j.cnki.cjhp.2017.01.005

2016-09-16)

http://www.cjhp.com.cn/

河北省醫學適用技術跟蹤項目(編號:G2015075)