不同年齡階段健康成年人群的非線性腦電分析

柯莎，廖波，楊飛，王寅旭

(川北醫學院附屬醫院，1.神經內科，2.泌尿外科，四川 南充 637000)

人體頭皮表面描記的腦電圖(EEG)主要成分是大腦皮層錐體細胞頂樹突電現象的總和，可反映大腦皮層功能狀態。從1929年Hans Bergerd首次記錄下并正確描述人的腦電活動以來[1]，腦電信號分析法不斷發展，隨著非線性動力學的發展，越來越多的研究采用非線性腦電分析去探索人體不同狀態下的大腦皮層功能情況[2]，但鮮有研究報道健康人群的腦電非線性特點。因此，本實驗擬觀察不同年齡階段成年健康人群的腦電非線性參數變化，以期為大腦皮層功能的相關研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2017年9月至2020年10月納入川北醫學院附屬醫院實習學生、工作人員、退休人員、神經內科住院患者家屬及體檢人群為研究對象。納入標準：(1)年齡18 ～89歲，其中青年組18～44歲，中年組45～59歲，年青老年組60～74歲，老年組75～89歲[3]；(2)年度體格檢查健康；(3)無認知功能障礙，簡易智力狀態檢查量表(mini-mental state examination，MMSE)評分[4]及福州版MoCA[5]均達相應正常標準；(4)腦電信號采集前1個月之內未服用影響大腦皮層功能的藥物，采集前1周內無感冒頭痛病史，采集前1周睡眠良好；(5)右利手。排除標準：既往神經精神疾病史，包括失眠患者也排除在外。分組情況：(1)青年組年齡18～44歲，平均(26±7)歲，均為大專及以上文化程度，共38人；(2)中年組年齡45～58歲，平均(51±4)歲，其中高中及中專文化水平23人，大專及以上文化水平18人；(3)年輕老年組年齡 60～74歲，平均(65±4)歲，其中大專及以上文化程度15人，高中及中專文化程度20人，初中文化程度4人；(4)老年組年齡 75～85歲，平均(80±3)歲，其中大專及以上文化程度17人，高中及中專文化程度15人，初中文化程度8人。四組研究對象的性別比較，差異無統計學意義(P>0.05)。

1.2 檢測儀器與電極安置

腦電放大器采用四川智能電子實業公司生產的ZN16E型無線高頻腦電信號放大器。放大器通頻帶為0.3～100 Hz，采樣率為500 Hz，模/數轉換位數12位，使用該公司配套聯想便攜式計算機、配套銀質盤狀電極及導電膏作為腦電信號采集和記錄設備。腦電信號的采集按照國際標準導聯10～20系統在受試者頭皮上安置電極，奇數代表左側，偶數表示右側，參考電極為左右耳垂，導聯位置、名稱與代號。見表1。

表1 部位、導聯名稱、代號、電極標號

1.3 檢測方法

于2019年11月至2021年2月進行原始腦電采集，所有受試者均知情同意，檢查前24 h禁食影響腦電活動的藥物及食物，采集前正常進餐。

檢查在安靜的屏蔽室內進行，關閉房內電設備，為避免來自采樣電路和記錄設備中的工頻干擾，采集中全程開啟陷波(高性能50 Hz陷波器)，以濾除工頻干擾。使用一次性酒精棉球對患者頭皮進行兩次脫脂清潔后進行EEG波形觀察及原始腦電信號采集，每一名對象的腦電波形觀察時間均為30 min。

常規腦電分析(線性)：參照Hockzday標準EEG5級分類法[6](為便于分析稍作改動)：Ⅰ級：規律α節律伴少量θ波，有反應性，或伴δ波；Ⅱ級：以θ節律為主，或伴少量α、δ波；Ⅲ級：以δ節律為主，或伴少量θ波；Ⅳ級：以β節律為主，或伴少量δ、θ波；Ⅴ級：彌漫性δ波，間隔著平坦腦波(即暴發—抑制波交替出現)。

非線性腦電分析：所有采集的原始腦電信號均統一使用80 Hz高頻濾波，主要為衰減肌電，并因個體因素可取小于1 Hz的低頻濾波，主要為衰減偽差，但為防止有效數據的丟失，需謹慎使用低頻濾波，本研究僅在2個經驗豐富的專業腦電技師都確定為偽差時，才使用恰當的低頻濾波。選取所標記10 min波段中波形平穩、偽差少的60 s進行腦電非線性分析，每種參數取各導聯的平均值進行分析，由于受試者兩額極易受眼動影響，因此本實驗中的平均值是指除去兩額極外的平均值，選取所標記10 min波段中波形平穩、偽差少的60 s進行分析，選擇參數為復雜度(complexity， Cx)和近似熵(approximate entropy，ApEn)。

1.4 統計學分析

2 結果

2.1 常規腦電分析

四組人群的常規腦電分級構成比比較，差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 不同年齡階段健康成年人群的常規腦電分析[n(%)]

2.2 非線性腦電分析

對所采集的腦電信號進行非線性分析結果為：青年、中年、年輕老年和老年組Cx最小值分別為0.39、0.39、0.35、0.28，Cx最大值分別為0.62、0.63、0.62、0.51；青年、中年、年輕老年和老年組ApEn最小值分別為0.71、0.71、0.70、0.54；ApEn最大分別為1.02、1.13、1.10、0.89，四組受試者的Cx和ApEn的全腦區及各腦區之間的平均數值見表3。為排除簡單數據平均化可能掩蓋腦電信號在不同腦區的差異性，故同時比較四組受試者全腦區的Cx 和ApEn均值以及不同腦區間Cx和ApEn值的差異性。老年組的Cx和ApEn值與其它三組兩兩比較，在全腦平均值和各腦區之間均有統計學差異(P<0.05)，而其余三組兩兩相比無統計學差異(P>0.05)。見表4及表5。

表3 不同年齡階段健康成年人群的全腦平均Cx和ApEn值

表4 不同年齡階段健康成年人群的各腦區Cx值

表5 不同年齡階段健康成年人群的各腦區ApEn值

3 討論

腦電信號是由非線性耦連、交互作用的神經細胞群產生，其本質上是一個非線性確定性過程，不僅整個大腦表現出非線性，即便單個神經元也存在著閾值和飽和現象而表現出非線性[7]，并且腦電信號所提供的神經網絡功能信息僅依賴線性分析(例如常規EEG的頻譜分析技術)是無法獲得的[8]。本研究采用常規線性及非線性分析兩種方法對不同年齡階段的健康成年人群進行腦電信號分析，結果顯示，使用常規的線性腦電分析法，四組受試者的腦電信號兩兩對比均無統計學意義。但是，當本研究將腦電信號進行非線性分析后，發現老年人群和其他三組受試者的腦電信號無論是全腦平均還是各個腦區均有顯著性差異，可見非線性腦電分析對皮層功能狀態的變化的捕捉更精準。近年來，腦電非線性分析已越來越泛地應用于意識障礙、癲癇、一氧化碳中毒、認知功能障礙等神經疾病[9]，但是若疾病已經發展到有明確神經精神系統表現時，其皮層變化是較為顯著的，即便是常規線性分析也能夠發現異常，而鮮有研究聚焦于健康成年人群的腦電信號的非線性特點，本研究用非線性分析去研究健康人群的腦電，具有前瞻性。

本研究還發現，老年健康人群全腦和各腦區的非線性分析結果與其他三組受試者之間的差異較明顯，其中以額區(F3、F4、F7及F8)的差異最為顯著。老年人的腦容量大約減少6%，其中額葉和紋狀體分別減少10%～17%和8%，而頂、枕和顳葉的容積則大致減少1%，額葉對年老最為敏感，老年人的額葉血液及代謝較中青年人有顯著減退，這一點是與該研究的結果相契合的，可見腦電非線性分析，可定量反映皮層功能，雖然不同年齡健康成年人群的MMSE皆在正常范圍，但并不代表健康老年人的皮層功能未下降。

腦電非線性分析參數較多，Cx和ApEn較其他非線性參數更能準確的反映大腦皮層功能[10]，因此在本文中觀察指標涉及Cx 、ApEn兩種非線性參數。Cx指大腦神經元處理信息活動的有序程度，反映了決定這段EEG序列的信息量大小，其度算法簡單、易于實現，而且計算速度快，抗干擾能力強,短時間內即可達到穩定值[11]；ApEn也只需較短的數據就能夠估計出較穩定的統計值，有較好的抗干擾和抗噪能力，且描述維數從二維到三維的模式信息，包括了時間模式，有比Cx更加豐富的信息和意義[12]。Cx和ApEn值越高，提示腦電信號越復雜，反映大腦皮層的功能、皮層之間的偶聯活動越復雜[13]。本研究中的老年組的Cx和ApEn值較其它三組有統計學差異，且額、側額的Cx 和ApEn值與其它三組兩兩相比差異極為顯著(P<0.01)，提示腦電非線性分析參數Cx 和ApEn 能敏感且定量地準確反應大腦皮層功能。腦電信號是大腦神經元興奮性和抑制性突觸后電位的總體反映，生理及病理情況表現各異，當大腦發生微妙的變化時，腦電也能出現相應的變化。腦電非線性動力學分析可提供有關神經網絡功能及其相互聯系的信息和大腦功能活動變化軌跡的實時情況，可更直觀準確地捕捉腦電的變化，為大腦皮層功能下降的早期鑒定提供參考依據，為輕度認知功能障礙、抑郁癥、睡眠障礙等大腦皮層功能異常疾病的前期干預、早期診斷提供方向。