急性高原低氧環境對大腦不同波段偏側化的影響

周迪，陳甄，張廣波，成祥，朱玲玲，王篤明，趙永岐,

(1.浙江理工大學，杭州 310018；2.軍事科學院軍事醫學研究院軍事認知與腦科學研究所，北京 100850)

1 引言

高原地區自然環境相對惡劣，這種惡劣環境會影響急進高原人群的生理、心理功能。以往研究顯示，高原環境中的低壓低氧、干燥低溫等因素都會影響人包括感知覺、注意、記憶和情緒等在內的認知功能，還會影響機體的健康與作業能力[1]。康琳等[2]研究表明，缺氧對高原邊防軍人的心理功能影響最為明顯，隨著海拔的增加心理功能受影響的程度也會增大。楊國愉等[3]研究表明，高原環境對軍人認知功能產生明顯影響，這種影響與海拔高度、進入高原時間和軍事作業狀態均有明顯關系。

情緒調節能有效改善個體的情緒狀態維護其身心健康。研究表明，積極的情緒調節策略有助于高原官兵心理健康的維護與促進[4]，良好的情緒調節方式有助于降低個體的不良情緒體驗，顯著促進個體的心理健康。在常氧環境中常以額區偏側化程度作為情緒調節能力的指標，額區偏側化程度是根據額區alpha波(8-13Hz)的活動強度進行測量和計算得到的指標，alpha波的活動越強說明腦區的活動越弱[5]，實驗室中的測量方法是提取被試靜息狀態下左側與右側額區的alpha波，計算右側額區alpha波自然對數值與左側額區alpha波自然對數值的差值(ln[右側alpha]-ln[左側alpha])，以此作為額區活動偏側化程度的指標。差值為正，說明左側額區的活動較于右側額區活動更強烈，額區左側化活動優勢；反之，額區右側化活動優勢[6-7]。研究表明，具有良好的情緒調節能力的個體，腦電信號往往伴隨著左額葉更大的活動[6]。額區活動具有左側化優勢的個體情緒調節的靈活性更高[6，8]，在負性刺激情況下相對于右側化優勢的個體情緒狀態更容易恢復[9-10]。Dennis和Solomon認為[11],額區EEG偏側化除了能夠反映情緒調節的變化以外,還可以反映情緒調節過程中情緒性內容的資源需求,也就是說,個體調節情緒付出的努力程度越大,偏側化指標也就會越大。雖然靜息態的EEG偏側化指標反映了個體在特質或情緒調節能力上的差異已經得到了絕大部分研究的證實[12-13]，但是在特殊環境下測量的EEG偏側化指標的含義則有著許多爭論[14]。從以往研究可知，低氧能夠影響人的生理心理功能，但未有研究比較過常氧和低氧環境下影響情緒調節能力的腦指標變化的區別，因此急性高原低氧環境對大腦不同波段偏側化的影響亟待探討。

本研究采用低壓低氧艙模擬海拔4300m的高原低氧環境，被試分別在艙內常氧、低氧環境10 h過夜之后進行腦電信號測量。本研究期望通過對急性高原低氧環境中靜息腦電信號的分析，觀察氧氣環境(常氧/低氧)對腦電各頻段功率的影響。

2 對象與方法

2.1 對象

實驗對象為12名健康男性，從北京各高校招募，本科以上文化程度，年齡在20歲到25歲之間(22.42±1.62)。所有被試無色盲色弱，視力或矯正視力正常，右利手，無特殊病史，無心理疾病和精神障礙史，近期無服用對神經系統有影響或損害作用的藥物。實驗開始前，被試均被告知實驗目的及實驗流程并填寫了知情同意書。

2.2 實驗設計與流程

本研究為單因素被試內設計，自變量是氧氣環境(常氧/低氧)，其中低氧氧分壓為12.3kPa，因變量是額區偏側化指標(alpha、beta、delta、gamma、theta )。實驗在航空醫學研究所低壓低氧艙內進行。12名被試被隨機分成3組，輪流進行實驗，每組實驗周期是4天。第一、二天22：00開始，安排4名被試進入低壓氧艙內在常氧環境下進行整晚適應性睡眠；第三天8：00開始，輪流進行情緒誘發并采集腦電信號；第三天22：00開始，進入海拔4300米低壓低氧艙進行睡眠過夜實驗，同時應用睡眠床墊進行睡眠監測；第四天8：00開始，在艙內輪流進行情緒誘發并采集腦電信號。

2.3 腦電數據采集與分析

本研究使用BP(BrainProducts,BP)-32導設備采集腦電信號，電極分布為國際通用的10-20系統。采集數據時，參考電極位于Fz和Cz電極之間，離線分析時轉換為TP9、TP10的平均作為參考，接地電極Ground位于Fp1和Fp2電極之間，眼電(Electrooculogram,EOG)電極置于右眼下方約1.5cm處，采樣率為250Hz，記錄帶寬為0Hz-100Hz，采集過程中所有電極的電阻保持在5kΩ以下。

靜息態額區偏側化指標分析：使用Matlab R2013b軟件對實驗起始部分的60s靜息腦電信號進行數據預處理及頻譜分析。(1)預處理：剔除眼電電極，使用TP9、TP10電極的平均對數據進行重參考，0.05Hz-40Hz的帶通濾波以及50Hz陷波，篩選出實驗起始部分60s的靜息電信號，每2秒(500 point)分為一段(epoch)，使用獨立主成分分析(Independent principal component analysis,ICA)并剔除眼動偽跡。(2)通過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)提取前額葉alpha(8-13Hz)頻率波段的功率譜，計算F3、F4電極自然對數轉換后的差值作為偏側化指標(Ln(F4)-Ln(F3))。正值表示前額左側比右側有更高的alpha激活，即前額右側皮層相對左側有更大的激活。

2.4 統計分析

我們通過采集實驗起始部分時60s的靜息腦電信號，對靜息狀態下額區EEG偏側化指標的變化進行分析，使用FFT提取前額葉alpha(8-13Hz)頻率波段的功率譜，計算F3、F4電極自然對數轉換后的差值作為偏側化指標(Ln(F4)-Ln(F3))，并根據常氧下靜息態偏側化指標的情況進行偏側化分組，使用SPSS 21.0分別對兩組被試低氧前后的偏側化數據進行配對樣本T檢驗。

3 結果

3.1 急性低氧環境下各頻段功率的變化

使用Matlab R2013b軟件對實驗起始部分的60s靜息腦電信號進行頻譜分析：將腦電按照頻率從低到高劃分為δ(1-4 Hz)、θ(5-7 Hz)、α(8-13 Hz)、β(14-30 Hz)、γ(>30Hz)五個頻段，并通過FFT提取腦電各頻段功率(幅值)的全腦地形分布，如圖1所示。

圖1 腦電各頻段功率(幅值)的全腦地形分布

額區頻譜分析通過FFT將隨時間變化的波幅轉換為隨頻率變化的腦電功率譜圖，額區(F3fzF4均值)頻譜圖如圖2所示。

圖2 額區頻譜分析圖

采用SPSS 21.0對額區(F3/Fz/f4)各頻段數據進行統計分析。經Shapiro-Wilk檢驗，低氧前后各頻段數據的差值皆服從正態分布(P>0.05)，因此對低氧前、后的各頻段數據進行配對樣本T檢驗，檢驗結果如表1所示。額區alpha、delta、theta頻段在低氧前后差異顯著，如圖3所示。

表1 額區各頻段低氧前、后比較(mean±SD,n=12)

圖3 額區各頻段低氧前、后比較

3.2 額區偏側化指標分析結果

額區各頻段偏側化總體情況：FFT后提取各頻段絕對功率，偏側化=ln(F4)-ln(F3)沒有進行正負值分組。研究采用SPSS 21.0對各頻段偏側化指標數據進行統計分析，經Shapiro-Wilk檢驗，低氧前后各頻段數據的差值皆服從正態分布(P>0.05)，因此對低氧前、后的各頻段數據進行配對樣本T檢驗，如表2所示。

表2 低氧前、后額區偏側化比較(mean ±SD,n=12)

本研究根據常氧下靜息態偏側化指標的情況，將被試分為左偏側化組(5人)和右偏側化組(7人)，經Shapiro-Wilk檢驗，左、右偏側化組低氧前后數據的差值皆服從正態分布(P>0.05)，分別對兩組低氧前后的數據進行配對樣本T檢驗。在靜息狀態下，alpha頻段左右偏側化組低氧前后比較發現，左偏側化組低氧前后差異顯著，t(4)=7.116,P=0.002；右偏側化組低氧前后差異也顯著，t(6)=-2.804,P=0.031。左、右偏側化組低氧前后額區偏側化指標的差異結果如圖4所示。左側組偏側化指標為正值，說明左側alpha低，左邊腦區活動強，稱為左偏側化。

圖4 左、右偏側化組低氧前后額的差異比較

然后利用相同的方法，又分別對beta、delta、theta、gamma頻段左、右偏側化低氧前后的變化差異進行了比較。

對于左右偏側化組，正值組即：偏側化指標為正值，左側組，說明F4_beta>F3_ beta。在靜息狀態下，beta頻段左右偏側化組低氧前后比較發現，左偏側化組低氧前后差異顯著，t(6)=4.842,P=0.003；右偏側化組低氧前后差異不顯著，t(4)=-0.311,P=0.771。其變化如圖5所示。

圖5 beta頻段低氧前后差異比較

在靜息狀態下，delta頻段左右偏側化組,低氧前后比較發現，左偏側化組低氧前后差異不顯著，t(5)=1.915,P=0.114；右偏側化組低氧前后差異也不顯著，t(5)=-1.378,P=0.227。如圖6所示。

圖6 delta頻段低氧前后差異

在靜息狀態下gamma頻段左右偏側化組，低氧前后比較發現，左偏側化組低氧前后差異不顯著t(8)=1.976,P=0.084；右偏側化組低氧前后差異也不顯著，t(2)=-0.243,P=0.830。如圖7所示。

圖7 gamma頻段低氧前后差異

對于靜息狀態下，theta頻段左右偏側化組低氧前后比較，經Shapiro-Wilk檢驗，左偏側化數據低氧前、后的差值服從正態分布(P>0.05)，進行配對樣本T檢驗；右偏側化數據低氧前、后的差值不服從正態分布(P=0.003)，進行Wilcoxon 符號秩檢驗。theta頻段左右偏側化組低氧前后比較發現，左偏側化組低氧前后差異顯著，P=0.035；右偏側化組中，低氧前后差異也顯著，P=0.017，如圖8所示。

圖8 theta頻段低氧前后差異

4 討論

本研究探討了急性低氧環境對額區偏側化指標的影響，在低壓氧倉中模擬急進高原人群低氧10h 以上，對個體額區偏側化指標的改變情況進行探究，期待能夠描述和探究在經歷低氧環境前后額區不同波段偏側化的變化。研究結果顯示，個體在低氧前后，額區各頻段頻譜振幅有一定的變化，其中在delta、theta、alpha、beta、gamma頻段中，常氧下額區活動呈左偏側化的個體在經歷急性低氧環境后偏側化指標均有所降低，常氧下額區活動呈右偏側化的個體在急性低氧環境后偏側化指標均有所增加。其中對于alpha、beta和theta頻段，偏側化指標從正值下降到了負值，差異達到了顯著性水平，額區活動性從左側活動較強變成右側活動較強，說明模擬的急性低氧環境影響了被試的額區偏側化指標；但是對于delta、gamma頻段，差異并沒有達到顯著性水平，可能的原因主要考慮是急性高原低氧環境暴露時間太短，或者與模擬環境密閉性可能沒有達到最佳狀態影響了個體狀態及測試效果等有關。另外，常氧時額葉活動左側化優勢的個體在低氧之后呈右側化優勢，說明情緒調節能力在很大程度上受到急性低氧環境的影響，導致個體情緒調節能力出現了明顯的下降。雖然大量的研究顯示,靜息額葉EEG偏側化具有相對穩定性，可以作為一個穩定的神經指標[15-19]，但本研究發現突然的環境變化除了會讓人的生理和心理功能產生不適之外，還在很大程度上影響了個體長期穩定的生理指標和情緒狀態。

此外，值得注意的是，本研究發現常氧下額區活動呈右側化的個體在經歷急性高原低氧環境之后，偏側化指標略為上升，其中alpha和theta頻段的上升指標均達到了顯著性水平。根據相關的研究結果表明，靜息狀態下,額葉EEG偏側化與情緒調節有關，良好的情緒調節能力往往伴隨著左額葉更大的活動[20-22]。那么，右偏側化指標的上升，是否說明了本身情緒調節能力不太靈活或者自身具有焦慮和抑郁特質的個體，在經歷急性高原低氧環境后，情緒調節能力能有所改善？焦慮、抑郁特質的個體如果長期處于高原低氧環境下是否個人特質會改變，以至于負性情緒更少？這一問題還值得我們進一步深入探究。

但就目前的研究結果而言，不同波段大腦功率的變化以及低氧前后大腦偏側化程度的變化，均表明急性高原低氧環境前后對個體腦電功率變化的影響比較明顯，對探究個體額區偏側化指標的變化規律具有深刻意義。

5 結論

常氧下額區活動呈左側化的被試在急性低氧之后，偏側化指標從正值下降到了負值，額區活動性從左側活動較強變成右側活動較強，說明模擬低氧環境影響了個體的額區偏側化指標，導致個體情緒調節靈活性變差。