精神疲勞對前額葉腦電信號關聯性的影響

張連毅

(上海電機學院 電子信息學院, 上海201306)

精神疲勞指人們長時間進行需持續精神注意力的認知活動時體驗到的一種生理心理上的改變[1]。精神疲勞使得認知功能產生變化,諸如反應時間延長[2]、視覺融合頻率降低[3]和警覺性的降低[4]等,并表現出以注意力不集中、反應遲鈍、頭腦昏沉和工作績效降低等狀態[5];同時,精神疲勞也會引起生理功能的變化,如腦電圖波形發生改變[6],腦組織含氧量相對于靜息狀態增加[7]。精神疲勞被認為是包括航空事故在內的安全事故重要原因之一[8]。

近年來,一些研究人員將精神疲勞與腦電圖、心電圖、眼電圖和肌電圖等聯系起來,試圖由電生理特征來表征精神疲勞。因具有費用相對低廉、時間分辨率高、無創傷等優點,腦電圖可能是預測、檢測精神疲勞及分析精神疲勞過程中人們心理狀態變化的一個可靠的生理特征[9]。Sauvet等[10]和Chong等[11]利用一個導聯腦電信號來評價精神疲勞,文獻[12-13]中利用不同腦區的多導腦電信號來共同描述精神疲勞。Ying等[14]和Jing等[15]為了探討神經活動過程中不同腦區的關聯性,利用腦電信號數據構建了大腦功能網絡。由于人腦具有一側優勢與功能區的特點,上述方法均存在一定的局限性。

大腦的兩半球是協調活動的。正常情況下,進入大腦任何一側的信息,都會迅速地經過胼胝體傳遞到另一側,使機體做出統一的反應[16]。探討精神疲勞與不同腦區腦電信號之間的依賴關系,一直是心理學、生理學、醫學、神經科學、人工智能等領域所關注的重要課題。相關性表示兩個比較變量的同步程度,相關系數是用以反映變量之間相關關系密切程度的統計指標,相關分析可以檢測兩個變量之間的相關程度[17],并用于探索任何兩個大腦區域之間或一個腦區內不同導聯之間的相互聯系。互相關可以用來測量任何兩個大腦區域之間的功能連接[18-20]。相關分析是腦電信號分析的常用方法之一。

本文通過分析不同腦區對稱導聯腦電信號的互相關系數隨精神疲勞的變化規律,進一步探討精神疲勞對大腦不同腦區產生的影響。

1 實 驗

選取年齡在19～24歲的8位健康、右利手的男性在校工科碩士研究生為本實驗的受試者。所有受試者均聲明沒有諸如精神分裂癥、癲癇、腦外傷等腦部病史,在實驗前3天未服用任何精神類藥物與酒精飲料。要求所有受試者在實驗期間都必須有規律的生活習慣和正常睡眠。受試者所在學校的學習時間為上午9:00～12:00,下午1:00～5:00。所有受試者都簽署了實驗的知情同意書,學校當地的倫理委員會審查并批準了這項研究。為了激勵受試者在實驗中更好地合作,所有受試者都給予一定的報酬。

實驗是在安靜、昏暗、室溫大約為20℃的實驗室內進行的。實驗開始前,先向受試者介紹實驗目的、實驗注意事項,讓受試者一直坐在比較舒適的椅子上,然后為受試者佩戴由干電極傳感器系統組成的電極帽,并且在實驗過程中(下午1:00～5:00),一直佩戴電極帽;要求受試者在實驗過程中身心盡可能放松,在記錄腦電信號時,閉上眼睛,什么也不要想。在腦電信號記錄過程中,身體盡量保持姿勢不變,盡可能不要眨眼睛,同時務必保持意識清醒。一般而言,按照工作時間與生活習慣,下午2:00的精神疲勞程度要比下午4:00的輕一些。

根據國際10-20系統標準,電極放置于前額葉的Fp1與Fp2處(見圖1),參考電極粘貼于喉結右下方的鎖骨管處。

圖1 電極分布

腦電信號記錄儀選用PL-EEG Wavepoint系統,各導聯阻抗均小于5 kΩ。采樣間隔為6 ms。實驗分為兩個部分,第1部分與第2部分的腦電信號分別在下午2:00和下午4:00開始采集,采集持續時長各5 min。

2 互相關

互相關函數表示的是兩個時間序列之間的相關程度,即描述隨機信號X(t)、Y(t)在任意兩個不同時刻t1、t2的取值之間的相關程度。

對于給定長度為n的時間序列X{x(i),i=1,2,…,n}與Y{y(i),i=1,2,…,n},X與Y的互相關系數rXY為

如果互相關系數為0,表明序列X與Y是彼此獨立或不相關的;如果互相關系數為1,表明序列X與Y是線性正相關的;如果互相關系數為-1,表明序列X與Y是線性負相關的;互相關系數在-0.30～0或0～0.30之間,表明序列X與Y微相關;互相關系數在-0.50～-0.30或0.30～0.50之間,表明序列X與Y實相關;互相關系數在-0.80～-0.50或0.50～0.80之間,表明序列X與Y顯著相關;互相關系數在-1.00～-0.80或0.80～1.00之間,表明序列X與Y高度相關。

3 數據分析

肉眼逐段檢查實驗所獲得的腦電信號,剔除明顯含有噪聲的片段,再選用帶通為0.5～30 Hz的FIR濾波器,去除腦電信號中的噪聲干擾。

計算互相關系數rXY的長度選擇為167點(1s的數據采樣點),以84點(0.5s的數據采樣點)的數據段為計算rXY的平移步長,在15s的數據段中,逐段分別計算前額葉Fp1與Fp2對稱導聯腦電信號在下午2:00與4:00的互相關系數,最后以8位受試者的均值作為對應計算段的互相關系數。

t-檢驗是用t分布理論來推論差異發生的概率,從而比較兩個平均數的差異是否顯著。下午2:00與4:00的互相關系數的差異情況用t-檢驗來分析。

3.1 r XY的比較

前額葉Fp1與Fp2在下午2:00與4:00的rXY如圖2所示,經t-檢驗統計顯示,下午2:00與4:00的rXY的標準差為0.040 5,t=17.435 4,P＜0.001,兩者之間存在顯著性差異。從圖2中可以看出,在前額葉,下午2:00的rXY明顯大于下午4:00;下午2:00 rXY的均值為0.848 9,表明此時前額葉Fp1與Fp2導聯腦電信號高度相關;下午4:00rXY的均值為0.707 4,表明此時前額葉Fp1與Fp2導聯腦電信號顯著相關;前額葉對稱導聯腦電信號的相關性隨著精神疲勞程度的增加而降低。

圖2 下午2:00與4:00前額葉Fp1與Fp2對稱導聯腦電信號的r XY

3.2 r XY隨延遲時間的變化

分別選取前額葉Fp2導聯腦電信號比Fp1延遲時間為0、6 ms、12 ms、18 ms(采樣間隔為6 ms),下午2:00對應的狀態分別為狀態1-1、狀態1-2、狀態1-3、狀態1-4,下午4:00對應的狀態分別為狀態2-1、狀態2-2、狀態2-3、狀態2-4。前額葉對稱導聯腦電信號rXY隨延遲時間的變化如圖3所示。

由圖3可以看出,對應不同的延遲時間,前額葉對稱導聯腦電信號rXY分別在不同的區域內變化。不同狀態下前額葉對稱導聯腦電信號rXY的均值見表1。由圖3與表1可知,在下午2:00,前額葉對稱導聯腦電信號rXY隨著延遲時間的增大而減小,說明對稱導聯腦電信號的同步性較強;而在下午4:00,延遲時間為6 ms時,對稱導聯腦電信號rXY最大,之后又逐漸減小,表明隨著精神疲勞程度的增加,對稱導聯的腦電信號存在著一定的“失步”現象。

圖3 前額葉Fp1與Fp2對稱導聯腦電信號r XY隨延遲時間的變化

表1 前額葉對稱導聯腦電信號r XY的均值

表2為同一精神疲勞狀態下對應不同延遲時間的t-檢驗分析。從表2可知,無論是在下午2:00,還是在下午4:00,對應延遲時間為0、6 ms、12 ms、18 ms的4種狀態,彼此之間都存在著顯著性差異(P＜0.001)。

表2 對應不同延遲時間的t-檢驗分析

4 討 論

抑郁是重度精神疲勞的臨床表現現象之一,有研究表明,靜息額葉腦電波偏側化程度與抑郁水平負相關,患有抑郁癥個體的靜息額葉腦電波相對右側化[21],偏側化則意味著對稱導聯腦電信號rXY減小,前額葉Fp1與Fp2對稱導聯腦電信號rXY隨著精神疲勞程度的增加而減小,本文的實驗結果從另一個方面驗證了文獻[21]的結論。用前額葉Fp1與Fp2對稱導聯腦電信號rXY隨著精神疲勞程度的增加而減小的現象更加便于解釋精神疲勞的種種表現,rXY減小,說明對稱導聯出的思維活動同步性降低,關聯性較小,自然會出現注意力不集中、反應遲鈍、工作績效降低等狀態。

5 結 論

相關關系是一種非確定性的關系,相關系數是研究變量之間線性相關程度的量,相關分析是一種簡便、易行、快速的信號分析與處理方法。本研究通過分析不同精神疲勞程度下不同腦區對稱導聯腦電信號的互相關性,有以下結論:

(1) 精神疲勞對前額葉對稱腦電信號的關聯性有顯著影響,前額葉Fp1與Fp2對稱導聯腦電信號的相關性隨著精神疲勞程度的增加而降低;

(2) 精神疲勞使得前額葉對稱導聯腦電信號的同步性減小;

(3) 利用互相關分析法對前額葉的腦電信號進行分析,可以進一步加深了解人們的認知與心理活動。