腦電源定位技術(shù)的研究進展

張云淼，董 芳，張士迪，賈少迪，袁 凱，喻大華

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010；2.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710126）

腦電圖（EEG）是對大腦中大量神經(jīng)元集群的放電活動在頭皮表面進行綜合反應(yīng)的記錄，具有很高的時間分辨率，能夠在亞毫秒量級中反映神經(jīng)元集群的放電活動。但是，EEG面臨的最大問題是記錄的信號不是腦內(nèi)大量神經(jīng)元集群信號的直接對應(yīng)，而是大腦中多個信號發(fā)生源在容積傳導(dǎo)效應(yīng)影響下的信號疊加。與MRI等神經(jīng)影像學(xué)方法相比，EEG不能提供高分辨率結(jié)構(gòu)影像，其空間分辨率較低，限制了EEG的分析和應(yīng)用。為了克服這一缺點，一個可行的方法就是利用測量的EEG信號重建腦內(nèi)信號發(fā)生源的分布模式，即腦電逆問題，也就是腦電源定位技術(shù)。解決腦電逆問題的方法分為兩大類，主要是參數(shù)方法（包括LORETA、sLORETA等）和非參數(shù)方法（包括MUSIC、BESA等），而兩者之間最主要的區(qū)別是是否假設(shè)了固定的偶極子數(shù)量。在過去幾十年中，已經(jīng)發(fā)展了很多非侵入式測量大腦內(nèi)部活動的技術(shù)，其中之一就是利用腦電進行源定位。1949年，Braizier首次提出用等效偶極子作為腦內(nèi)信號發(fā)生源的觀點，等效偶極子通過容積傳導(dǎo)效應(yīng)在頭皮上產(chǎn)生的電位可以認為是在頭皮處測量的腦電信號，這些等效偶極子的位置和方向可以由頭皮處腦電信號來估計。1972年，Schneider等人首次利用心電求逆中使用的偶極子定位方法，對腦電進行定量求逆，揭開了腦電逆問題研究的序幕。近年來，腦電源定位技術(shù)不僅用于認知神經(jīng)科學(xué)的研究，而且在神經(jīng)病學(xué)、精神病學(xué)和精神藥理學(xué)等臨床神經(jīng)科學(xué)中也有重要的應(yīng)用。文章主要從以下兩個方面對腦電源定位技術(shù)的應(yīng)用以及得出的成果進行總結(jié)分析。

1 腦電源定位技術(shù)在BESA中的研究應(yīng)用

BESA是一種通過基于多源模型不同源配置將表面信號轉(zhuǎn)換為大腦活動的源定位分析軟件，是一種特殊的偶極子擬合模型，能夠在一段連續(xù)的時間點中假設(shè)偶極子具有固定的位置和固定或變化的方向。在體感誘發(fā)電位（SEPs）、晚期聽覺誘發(fā)電位（LAEP）、腦島認知功能的研究以及癲癇等腦部疾病中，BESA都有相關(guān)的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，在體感誘發(fā)電位上，通過刺激被試右側(cè)脛神經(jīng)然后利用BESA的四偶極子模型進行分析，從而發(fā)現(xiàn)了四個偶極子的聯(lián)合活動可以很好地解釋脛神經(jīng)體感誘發(fā)電位的頭皮分布，偶極子模型有效提高了時間分辨率和空間分辨率。對于在晚期聽覺誘發(fā)電位的研究，BESA分析了從兒童到青少年不同年齡段的晚期誘發(fā)電位，估計了偶極子源活動的峰值潛伏期與振幅，雖然兒童與成年人的晚期聽覺誘發(fā)電位的偶極子源的數(shù)量、位置、方向相似，但是它們之間的活動過程還是有所不同。在發(fā)育過程中，潛伏期縮短，振幅降低，并且在青春期，切向偶極子還出現(xiàn)了一個新的成分，它反映了顳平面的發(fā)生源，并且與成人相比兒童時期的參數(shù)變異性更大。偶極子源分析可以作為研究聽覺、知覺功能正常和異常成熟的有用工具。在腦島的認知功能的研究上，BESA估計了左右腦半球的前腦島區(qū)域與紋外區(qū)域的顱內(nèi)偶極子活動，在GO/NOGO的圍棋實驗中顯示了左側(cè)前腦島的活動相似，而右側(cè)前腦島的活動有一定差異。在一項對于復(fù)雜部分性癲癇的研究中，通過BESA偶極子源定位方法對復(fù)雜部分性癲癇患者的發(fā)作間期進行源定位，結(jié)果表明BESA對于點狀致癇區(qū)域的定位精度更高。而在另一項關(guān)于難治性癲癇的研究上發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DG-PET的空間定位與BESA偶極子源在時間上的準確性結(jié)合在一起，可以精準定位致癇灶，極大減少了對于癲癇疾病的診斷時間。BESA在癲癇等腦部疾病的應(yīng)用上比較廣泛，能夠快速定位到大腦皮層的發(fā)生源，為研究人員提供了極大的便利。在對于神經(jīng)影像學(xué)的相關(guān)研究中，BESA的使用還在不斷的拓展。幾十年以來，在神經(jīng)學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)和心理生理學(xué)的研究表明，通過在頭皮上記錄得到的事件相關(guān)電位的神經(jīng)源定位受到了越來越多的關(guān)注。

2 腦電源定位技術(shù)在sLORETA中的研究應(yīng)用

sLORETA是一種分布式源定位軟件，雖然名為sLORETA，但是它并不是基于LORETA，而是基于標準化電流密度圖像的定位方法。它使用最小范數(shù)估計（MNE）給出當(dāng)前密度的估計，可以產(chǎn)生神經(jīng)元集群電活動的三維圖像，并且與神經(jīng)元集群電活動的強度和方向上具有很大相似性。sLORETA在癲癇、阿爾茲海默病抑郁癥等腦部疾病中有很多應(yīng)用。在一項研究中，為了能夠了解兒童失神癲癇（CAE）放電的起源，研究人員使用sLORETA進行分布式源定位，通過采集16名患病兒童獲得242個腦電周期，得到相對應(yīng)的sLORETA圖像，其最大電流源密度主要位于額葉，與峰值一致，從而確定兒童失神癲癇放電主要來源來自額葉。在另一項研究中，通過sLORETA研究丙戊酸（VPA）這種抗癲癇藥物（AED）對于兒童失神癲癇治療過程的對比，對17例患者進行非參數(shù)統(tǒng)計分析，比較治療前后頻段的電流密度分布。結(jié)果表明，delta頻段左側(cè)額下回的電流密度差異最大，theta頻段左側(cè)額內(nèi)側(cè)回的電流密度差異最大，alpha頻段左額下回的電流密度差異最大，beta頻段左側(cè)前扣帶回的電流密度差異最大，在抗癲癇藥物的治療期間腦電活動沒有出現(xiàn)明顯差異。在與阿爾茲海默?。ˋD）的相關(guān)研究中，使用sLORETA來識別受益于膽堿酯酶抑制劑（ChEI）治療的阿爾茲海默病患者亞組，沒有產(chǎn)生反應(yīng)患者alpha頻段和delta頻段有明顯更高的電流密度，腦電活動位于額葉和頂枕區(qū)，在治療6個月后，只有產(chǎn)生反應(yīng)的患者beta頻段出現(xiàn)了電流密度的增加，腦電活動主要在左側(cè)額葉和顳葉皮質(zhì)。結(jié)果表明，有一組的阿爾茲海默病患者對于膽堿酯酶抑制劑的治療有更好的反應(yīng)。在另一項研究中，通過注射東莨菪堿來研究與阿爾茲海默病和輕度認知障礙是否產(chǎn)生類似的區(qū)域特異性的腦電活動改變。結(jié)果表明，東莨菪堿顯著增加了三角洲腦區(qū)（雙側(cè)中央前回、中央后回、扣帶回和中央旁小葉等）的腦電活動，而降低了所有后腦區(qū)的alpha頻段，東莨菪堿引起腦電活動的區(qū)域和頻段特異性改變，與阿爾茲海默病和輕度認知障礙觀察到的相似。在一項關(guān)于靜息態(tài)腦電的研究中，通過給21名男性靜態(tài)注射瑞芬太尼和安慰劑并在治療前和治療后進行記錄，使用sLORETA對delta（1-3.9Hz）、theta（4-7.9 Hz）、alpha（8-12 Hz）、beta1（12.1-18 Hz）和beta2（18.1-30 Hz）頻段進行源定位。結(jié)果表明，與注射安慰劑相比，注射瑞芬太尼有明顯的改變，包括額葉下回、額葉腦島在內(nèi)的幾個腦區(qū)神經(jīng)元振蕩更加強烈，主要局限于額葉、額葉-顳葉、額葉-中央葉，與認知功能有關(guān)。sLORETA為了解瑞芬太尼對大腦活動的潛在機制提供了可能性。在一項關(guān)于抑郁癥的研究中，使用sLORETA對9名健康被試和9名輕度抑郁癥患者進行腦電源定位，并且通過t-Test計算眼球運動數(shù)據(jù)，結(jié)果表明輕度抑郁癥患者對于負面面部表情關(guān)注度較高。從源定位的結(jié)果來看theta頻段額葉右側(cè)額中回（BA6）活性比較高，表明輕度抑郁癥患者更關(guān)注負面面部表情，并且顳極存在一定的障礙。一項使用sLORETA觀察艾灸治療慢性下腰痛患者的大腦皮層活動變化的研究中，21例患者其中11例出現(xiàn)了強烈的熱敏化反應(yīng)，并且前額葉、初級軀體感覺、第二軀體感覺和扣帶皮質(zhì)beta頻段電流密度顯著降低，左側(cè)腦島alpha2頻段電流密度出現(xiàn)升高，而其他沒有熱敏性的患者未檢測到相應(yīng)的變化。結(jié)果表明，皮層振蕩活動與艾灸時的熱敏化有很大的關(guān)聯(lián)。sLORETA對于腦部疾病應(yīng)用方面比較廣泛，提高了研究人員對于大腦的認知行為和腦區(qū)區(qū)域的變化理解和認識。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，腦電作為一種非侵入性的測量技術(shù)，采集數(shù)據(jù)簡單，攜帶比較方便，價格相對來說比較便宜，對人體沒有危害，在實際生活中得到了廣泛的應(yīng)用。腦電源定位技術(shù)能夠分析大腦神經(jīng)元集群的活動，尤其在腦部疾病方面，可以幫助研究者理解大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)變化，從而提高對于腦部疾病的認識和了解。

此外，腦電源定位技術(shù)應(yīng)當(dāng)在溯源精度上進行提升和應(yīng)用思路上進行更新。在提升溯源精度方面上，需要充分考慮生理學(xué)對于溯源定位精度的影響，研究表明，在不同物種的大腦結(jié)構(gòu)之間等效電流偶極子存在一個閾值，這個閾值被看作源定位問題的約束條件。除此之外，生理學(xué)數(shù)據(jù)的不同與個體之間的差異都會導(dǎo)致溯源精度的不同。同時，腦電源定位技術(shù)也可以與影像學(xué)方法進行融合，MRI和fMRI技術(shù)可以為腦電溯源問題提供高空間分辨率的大腦結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，腦電也可以給影像學(xué)提供高時間分辨率，從而更好提升溯源精度。在更新應(yīng)用思路方面，隨著科技的發(fā)展，一些新的技術(shù)已經(jīng)成型，腦電源定位得到的源信號可以與新技術(shù)進行結(jié)合，例如源信號可以作為BCI的控制端，幫助患者進行更好的康復(fù)治療。腦電源定位技術(shù)作為一個具有發(fā)展前景的技術(shù)，對于治療腦部疾病具有重要的意義，未來可以在神經(jīng)學(xué)、心理生理學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。腦電源定位技術(shù)作為一個具有發(fā)展前景的技術(shù)，對于治療腦部疾病具有重要的意義，未來可以在神經(jīng)學(xué)、心理生理學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。