字母短時記憶下正常成年人40hzERP非線性動力學參數的比較①

楊 田，朱曉峰

(佳木斯大學神經科學研究所，黑龍江 佳木斯 154007)

字母短時記憶下正常成年人40hzERP非線性動力學參數的比較①

楊 田，朱曉峰

(佳木斯大學神經科學研究所，黑龍江 佳木斯 154007)

目的：比較分析不同程度認知負荷字母短時記憶下正常成年人40hz腦電信號的變化，以初步了解認知負荷對大腦40hzERP信號的影響，初步探討字母短時記憶刺激事件及其負荷程度對40hzERP研究的量化性，初步評價在該刺激事件下非線性動力學參數的實用性。 方法：選取正常成年人50例，給予不同認知負荷字母短時記憶刺激，采集腦電信號并用非線性動力學參數常用指標進行數據處理分析。 結果：①正常成年人在不同認知負荷字母短時記憶刺激下，大腦各導聯非線性動力學參數均有顯著變化，并具有統計學意義(P<0.05)；②正常成年人在認知活動中的非線性動力學參數值高于安靜狀態下，在安靜睜眼和閉眼狀態下無明顯高頻信號的出現，數據處理未求得非線性動力學參數。 結論：① 字母短時記憶重復再認可以作為誘導大腦高頻信號的適宜刺激事件；②非線性動力學參數關聯維數、復雜度及近似熵可以作為大腦高級神經認知活動的檢測指標。

字母短時記憶；認知負荷；40hzERP；非線性動力學參數

隨著時代發展，高級神經認知功能障礙性疾病[1]越來越成為人們關注的焦點，同時在對其診斷和臨床治療等方面的難題也吸引了很多專業人士為之奮斗努力，經過前人多年的刻苦研究，人們發現在該類疾病早期階段識別出輕程度認知障礙患者并加以干預對其臨床治療和預后具有重要意義.目前用于認知功能障礙患者的臨床診斷方法主要有國際認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，比如記憶量表結果帶有主觀性，常規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早期識別高級神經認知功能障礙患者，事件相關性腦電位中的高頻成分40hzERP[4]經過近幾年的深入研究后被發現它與人大腦高級認知活動有密切關聯，且具有各種優勢可以避免這些不足，但由于大腦工作機制的復雜性以及高頻腦電信號的低波幅、彌散規律性差等特點，目前還沒有確定出能誘導出40hzERP的標準刺激事件，也沒有發現將高頻腦電信號轉化為能直接診斷的金指標。本實驗欲先以正常人入手，分析字母短時記憶變化對40hzERP非線性動力學參數的影響，以期望能找到適宜的刺激事件并確定其適宜認知負荷，找到能用于早期臨床診斷認知功能障礙的標準參數值。

人大腦對外界任何刺激都會做出相應反應，不同的刺激事件會激發出大腦不同的工作狀態，啟用不同的神經認知功能，這時我們可以在頭皮表面經電極記錄到腦電信號，發現該腦電信號特征與神經認知功能的關聯性，近年研究發現其中高頻腦電信號最能代表大腦高級認知功能，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理論[6]，用非線性動力學參數來分析不同狀態下腦電信號的變化，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 實驗對象

通過志愿選取佳木斯大學大一學生50例，男女比例1:1，平均年齡在19歲，經臨床檢查均無影響實驗結果的相關疾病，經心理學測試均無明顯認知障礙，所有被試者均為右利手，高考成績相當。

1．2 實驗方法

實驗采取N-back任務模式[8]，該任務是一連串的英文字母依次呈現在屏幕上，每個字母呈現時間和間隔時間均為1秒，要求被試者在當前字母與之前相隔第n個字母重復時做出反應，通過分別取N=0、1、2、3來控制認知負荷大小，當N=0時要求被試者遇到相鄰字母重復出現時做出反應，當N=1時則要求被試遇到相隔一個字母重復出現時做出反應…當N=3時則要求被試遇到相隔三個字母重復出現時做出反應，每個被試者在實驗當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，每個被試需依次經過N=0、1、2、3的整個測試。

實驗腦電信號采集采用國際腦電圖學會制定的10-20系統32導電極帽，依次對被試者進行安靜睜閉眼眼兩分鐘及不同負荷認知下的腦電測試，后臺記錄每個腦電極信號，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 實驗數據處理

3.1 正常成年人在不同認知負荷字母短時記憶刺

激下，大腦各導聯非線性動力學參數均有顯著變化，并具有統計學意義(P<0.05)，從結果看出非線性動力學參數隨著同一性質刺激事件認知負荷難度的增加而增大。

3.2 正常成年人在認知活動中的非線性動力學參數值高于安靜狀態下，在安靜睜眼和閉眼狀態下無明顯高頻信號的出現，數據處理未求得非線性動力學參數。

正常人大腦部分導聯(FP1、FP2、T3、T4、O1、O2、O3)在不同認知負荷(N=0、1、2、3)狀態下的非線性動力學參數值，見表1～3。

表1 部分導聯關聯維數在不同認知負荷狀態下的比較±s)

表2 部分導聯復雜度在不同認知負荷狀態下的比較±s)

表3 部分導聯近似熵在不同認知負荷狀態下的比較±s)

4 結論

4.1 字母短時記憶重復再認可以作為誘導大腦高頻信號的適宜刺激事件。

4.2 非線性動力學參數關聯維數、復雜度及近似熵可以作為大腦高級神經認知活動的檢測指標。

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的可靠性。經過本實驗研究，雖發現字母短時記憶任務可以作為大腦高頻信號的刺激事件，但是還有諸多難題仍未解決，如對刺激事件屬性的標準化、刺激事件難度的設定以及是否還存在有其他更好的刺激事件等關鍵性難點。在實驗中我們發現當認知負荷過大時，被試者會難以配合實驗，這樣采集到的腦電信號出現很多干擾，不利于數據分析，因此，只有標準刺激事件才能得到標準的具有說服力的非線性動力學參數值，從而建立相應刺激事件下的正常范圍值以識別高級神經認知功能障礙患者，早期診斷出輕度認知功能障礙并對其施以干預，阻礙認知功能障礙的發展，提高治愈率.

[1]何云燕.卒中后認知功能障礙危險因素的現狀及進展[J].中國城鄉企業衛生,2014,12(6):11-12

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

[3]羅躍嘉，姜揚，程康.認知神經科學教程[M].北京:北京大學出版社，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記憶的40Hz腦電的研究[D].佳木斯大學，2014

[5]楊紅軍，胡三覺.混沌在神經系統中的作用[J].生理科學進展，2002,33(3)：259-261

[6]IsarNejadgholi,SeyyedAliSeyyedsalehi,SylvainChartier.AChaoticFeatureExtractingBAMandItsApplicationinImplementingMemorySearch[J].NeuralProcessingLetters, 2012, 36(1):69-99

[7]潘穎華，葛丹，張繼澤，等.針灸治療血管性癡呆患者事件相關電位改變的臨床研究[J]. 黑龍江醫藥科學，2014,37(1)：60-62

[8]LisaMJacola,VictoriaWWillard,JasonMAshford,etal.ClinicalutilityoftheN-backtaskinfunctionalneuroimagingstudiesofworkingmemory[J].JournalofClinicalandExperimentalNeuropsychology,2014,36 (8):875-886

[9]陳士輝，胡三清.腦電信號中參考信號的研究與應用[D].杭州電子科技大學，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，博士研究生導師。E-mail：zhuxiaofeng1227@163.com。

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1008-0104(2017)01-0080-02

2015-11-04)