事件相關(guān)去同步化和事件相關(guān)同步化在腦電磁信號分析中的應(yīng)用

事件相關(guān)去同步化和事件相關(guān)同步化在腦電磁信號分析中的應(yīng)用

事件相關(guān)性消除分析（erd）和事件相關(guān)性同步發(fā)展（ers）是研究大腦功能的非常有用的信號分析方法。本文對其在腦電磁信號分析中的應(yīng)用進行綜述。一、事件相關(guān)去同步化當(dāng)大腦皮質(zhì)某區(qū)域受到感官、動作指令或想象運動等刺激而開始激活時,該區(qū)域的代謝和血流增加,同時進行信息加工可以導(dǎo)致相應(yīng)頻段的腦電信號振蕩的幅度減低或者阻滯,這種電生理現(xiàn)象稱作事件相關(guān)去同步化(ERD)。大腦在靜息或惰性狀態(tài)下表現(xiàn)出明顯波幅增高的電活動,將其稱為事件相關(guān)同步化(ERS)。ERD/ERS具有以下特點。1.gama和alas算法有以下幾種不同的erd或ers,主要表現(xiàn)為大腦振蕩的活動頻率范圍波動較大,這些頻率常被分為以下頻段:delta(<4Hz),theta(4～7Hz),alpha(8～12Hz),beta(13～30Hz)及gamma頻段(>30Hz)。其中又把中央?yún)^(qū)(Rolandic區(qū))的alpha頻段稱為mu頻段(9～11Hz)。Alpha和beta頻段的ERD可作為大腦激活的指標(biāo),而ERS的出現(xiàn)則表明大腦處于失活狀態(tài),提示皮質(zhì)區(qū)域恢復(fù)到靜息或惰性狀態(tài)。與alpha和beta頻段不同,gamma頻段的ERS與皮質(zhì)激活相關(guān),可能參與多區(qū)域和多種模式的信息整合加工過程。不同頻段在正常和病理的運動加工過程中表現(xiàn)出不同的振蕩模式,表明在大腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下水平可能有著相互作用的獨立功能調(diào)節(jié)機制來參與運動神經(jīng)環(huán)路的信息加工。2.神經(jīng)反應(yīng)振蕩許多腦電圖(electroencephalography,EEG)和腦磁圖(magnetoencephalography,MEG)的研究發(fā)現(xiàn)感覺運動皮層的神經(jīng)反應(yīng)振蕩活動在運動開始前幾百毫秒出現(xiàn)并持續(xù)到運動結(jié)束后幾秒鐘。例如,在運動開始前幾百毫秒,alpha和beta頻段的能量會迅速降低(ERD),在運動結(jié)束之后1～2sbeta頻段能量會迅速增高(ERS)。二、erd和ers分析的應(yīng)用1.高頻gamaers許多EEG研究都證明在執(zhí)行運動相關(guān)任務(wù)時,mu和beta頻段的ERD/ERS出現(xiàn)在感覺運動皮層,并且具有對側(cè)優(yōu)勢。隨著MEG的發(fā)展,很多研究者開始采用MEG記錄磁信號進行研究。他們發(fā)現(xiàn)受試者在執(zhí)行運動相關(guān)任務(wù)時,mu頻段ERD/ERS位于中央?yún)^(qū),具有對側(cè)優(yōu)勢,并且基本與軀體感覺皮層定位相一致。對于beta頻段來講,運動前ERD產(chǎn)生于中央前、后回,運動后ERS在中央前回皮層的稍前處。Beta頻段的單側(cè)優(yōu)勢及軀體皮層定位符合程度都比mu頻段要好。最近幾年,gamma頻段成為了研究者關(guān)注的熱點。Gamma頻段一般是指大于30Hz的振蕩活動,又分為低頻gamma頻段(30～70Hz)和高頻gamma頻段(70～150Hz)。Cheyne等和Dalal等應(yīng)用EEG研究發(fā)現(xiàn)健康人群在執(zhí)行手指運動任務(wù)時,高頻gammaERS會出現(xiàn)在對側(cè)中央運動皮層手部所代表的區(qū)域,但是他們沒有報道低頻gamma振蕩。Waldert等關(guān)于gamma活動的MEG研究也得出了相似的結(jié)果。Huo等對20例受試者進行簡單的食指運動并對所記錄到的MEG信號進行分析,研究發(fā)現(xiàn)有19例受試者出現(xiàn)了對側(cè)高頻gammaERS,其中15例受試者同時出現(xiàn)了同側(cè)低頻gammaERD,因此他們認(rèn)為運動皮層的對側(cè)高頻gammaERS和同側(cè)低頻gammaERD可能具有一定的相關(guān)性。另外,許多研究者嘗試應(yīng)用ERD/ERS的方法對癲癇患者進行術(shù)前功能區(qū)的定位。Pfurtscheller等報道了4例術(shù)前癲癇患者在進行自主運動時,同步記錄并提取相關(guān)的皮層腦電圖(Electrocorticogram,ECoG)信號進行研究,發(fā)現(xiàn)alpha和beta頻段出現(xiàn)ERD,gamma頻段出現(xiàn)ERS并且更加局限。Yanagisawa等也應(yīng)用ECoG對2例中央?yún)^(qū)皮層發(fā)育不良難治性癲癇患者進行口或手自主運動的研究,其研究結(jié)果表明此種方法能夠較準(zhǔn)確定位大腦功能區(qū)。2.感覺運動區(qū)功能的恢復(fù)運動任務(wù)的完成需要其他區(qū)域的參與。Wheaton等證明了頂區(qū)和運動前區(qū)在調(diào)控不同運動上起著重要的作用。Wilson等應(yīng)用MEG研究發(fā)現(xiàn)在協(xié)調(diào)雙手運動和單手運動(程序化運動或自主運動)時輔助運動區(qū)皮層會涉及,而在雙手任務(wù)中運動前區(qū)的多區(qū)域和小腦也會涉及,這些區(qū)域的涉及會隨著運動復(fù)雜程度的增加而明顯。研究者還對影響感覺運動區(qū)ERD/ERS的變化因素進行了探討。Iannetti等采用激光脈沖刺激手背研究傷害感受過程,發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)的alphaERS大小與刺激強度成正相關(guān)。Streltsova等發(fā)現(xiàn)相同部位的不同動作和姿勢引起的ERD大小不同,其中有意義的動作和姿勢引起的ERD值更大。Tanaka等發(fā)現(xiàn)運動疲勞后,同側(cè)和中央前區(qū)的betaERD能夠代償性增強。Behmer等研究發(fā)現(xiàn)音樂家在聽音樂、觀看樂譜或演奏時感覺運動區(qū)的muERD值高于普通正常人。另外,腦電信號是否可以預(yù)測動作或想象動作的發(fā)生是很多人感興趣的問題,Morashd等就對8例健康受試者進行了嘗試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動或想象運動之前ERD/ERS所具有的特異性可以使其起到預(yù)測的作用。在臨床方面,許多疾病會影響到感覺運動區(qū)的功能,ERD/ERS分析方法可以無創(chuàng)地發(fā)現(xiàn)很細(xì)微的這種功能上的改變。Willemse等應(yīng)用MEG對19例有中央溝附近膠質(zhì)瘤的患者進行研究,發(fā)現(xiàn)不同部位的自主運動振蕩活動的改變不同?；颊呤肿灾鬟\動時,mu和betaERD功能解剖邊界得以保留,并且仍具有對側(cè)優(yōu)勢,但是足的自主運動區(qū)卻發(fā)生了變化。Visani等對翁倫病(Unverricht-Lundborgdisease,ULD)患者和健康對照組的研究發(fā)現(xiàn)ULD組alphaERD在對側(cè)中央?yún)^(qū)更多并且運動后betaERS減少。中央?yún)^(qū)alphaERD范圍增加說明運動始動異常,而運動后betaERS減少則說明運動不能有效終止。所以,他們認(rèn)為ERD/ERS的變化提示ULD患者在調(diào)節(jié)運動始動和終止方面出現(xiàn)了異常。腦卒中患者的功能恢復(fù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重建有關(guān),而ERD/ERS是觀察神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建的敏感指標(biāo)。Gerloff等發(fā)現(xiàn)卒中患者患側(cè)手在執(zhí)行運動相關(guān)任務(wù)時,患側(cè)半球alpha和betaERD降低,而健側(cè)半球alpha和betaERD增強?；紓?cè)手在執(zhí)行運動任務(wù)的時候健側(cè)半球可以起到代償作用,說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)重建。Wilson等對4例腦卒中患者進行運動治療,其中有2例患者同時接受外周神經(jīng)刺激治療,分別記錄治療前、后3周的MEG信號,并對相應(yīng)區(qū)域腦的磁信號進行ERD/ERS分析。他們發(fā)現(xiàn)所有患者治療后雙側(cè)中央前回運動后betaERS值降低,患側(cè)中央前回gammaERS值降低,而接受PNS治療的患者降低的更明顯并且功能恢復(fù)的也更好。這說明gammaERS值的降低與卒中患者的功能恢復(fù)程度有關(guān)。所以,ERD/ERS可以作為腦卒中患者治療效果的評定指標(biāo)。Stepien等對首次診斷為單側(cè)急性腦卒中14例患者(其中9例為皮質(zhì)下型,5例為皮質(zhì)型)和10例健康受試者進行研究。他們發(fā)現(xiàn)在完成對側(cè)手指運動任務(wù)時皮質(zhì)型腦卒中患者患側(cè)半球較健側(cè)半球alphaERD值降低,而皮質(zhì)型腦卒中患者則沒有差異。說明皮質(zhì)型和皮質(zhì)下型腦卒中患者康復(fù)有著不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建模式。3.不同性別腦區(qū)erd/ers的變化對認(rèn)知功能的影響DeltaERS的變化有助于對情感認(rèn)知功能的評價。Klados等從國際情感圖片系統(tǒng)(InternationalAffectivePictureSystem,IAPS)中選出愉快高喚醒、愉快低喚醒、不愉快高喚醒和不愉快低喚醒四類情感圖片。他們應(yīng)用MEG記錄了25例健康受試者對圖片反應(yīng)的磁信號并對其進行ERD/ERS分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)delta頻段主要表現(xiàn)為ERS,并且女性ERS值高于男性,不愉快圖片ERS值高于愉快圖片。DeltaERS的不同說明女性更易受到情感的影響和不愉快圖片更易影響人們的情感。ThetaERD/ERS的變化能夠反映空間定位和聽覺認(rèn)知的能力。Kober等的研究顯示13例健康男性和14例健康女性分別完成虛擬環(huán)境中的空間定位任務(wù),并對theta頻段進行ERD/ERS分析,發(fā)現(xiàn)男性和女性定向能力無差別,但女性所引起的ERS值高于男性;女性ERS值越高,定向力越好,而男性ERS值越高,定向力越差。該項研究提示,對于不同的性別,腦區(qū)可能有著不同的空間定向認(rèn)知機制。另外,Tavabi等應(yīng)用聽覺任務(wù)發(fā)現(xiàn)單詞聲音刺激比非單詞聲音刺激在顳上回區(qū)thetaERD值高。研究者也應(yīng)用ERD/ERS方法分析了不同疾病對認(rèn)知功能的影響。ERD/ERS方法可以發(fā)現(xiàn)癡呆患者的早期變化。Babiloni等對25例早期癡呆患者研究,發(fā)現(xiàn)早期的阿爾茨海默病(AD)或血管性癡呆(VD)患者alphaERD出現(xiàn)時間延遲而且alphaERD值較正常組高。Xu等發(fā)現(xiàn)VD患者組與對照組相比在額區(qū)、中央和頂區(qū)delta頻段ERS值降低。Krause等用ERD/ERS的方法研究局灶性癲癇兒童的癲癇發(fā)作對其認(rèn)知功能的影響。對于兩種不同的記憶任務(wù),健康對照組的ERD/ERS值在4～8Hz差別很大,而患者組差別很小,這種4～8HzERD/ERS的變化可能反映了癲癇患者的發(fā)作對認(rèn)知功能的影響。在對精神疾病的研究中,Bachman等發(fā)現(xiàn)與健康對照相比,在工作記憶負(fù)擔(dān)加重時,患精神分裂和無精神分裂的雙胞胎完成記憶任務(wù)的能力下降并且alphaERD值增加,ERD值增加可能與精神分裂和無精神分裂的雙胞胎的神經(jīng)認(rèn)知機制發(fā)生改變有關(guān)。Wilson等對青少年精神分裂患者和健康對照研究發(fā)現(xiàn)在接受左指刺激時患者組右側(cè)小腦皮質(zhì)alpha和gammaERD值高于對照組;接受右指刺激時患者組雙側(cè)小腦、右中央后回alpha和gammaERD值高于對照組,右中央后回alphaERS值對照組高于患者組?；颊呓MERD的增加、ERS的降低提示右側(cè)中央后回和雙側(cè)小腦皮層可能有異常改變。因此,他們認(rèn)為在精神病早期,小腦功能異常,特別是右側(cè)皮層小腦環(huán)路功能障礙是引起感覺運動整合異常的重要原因。腦深部電刺激(deepbrainstimulation,DBS)是帕金森病(Parkinson′sdisease,PD)治療的一種有效方法,但這種治療方法可以導(dǎo)致抑郁癥,Huebl等對12例PD患者進行了這方面的研究。經(jīng)過DBS治療3個月后,Beck抑郁量表結(jié)果與對愉悅圖片alphaERD值有高度相關(guān)性,即Beck抑郁量表得分越高