事件相關(guān)去同步化和事件相關(guān)同步化在腦電磁信號(hào)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(hào)分析方法。本文對(duì)其在腦電磁信號(hào)分析中的應(yīng)用進(jìn)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(dòng)作指令或想象運(yùn)動(dòng)等刺激而開(kāi)始激活時(shí),該區(qū)域的代謝和血流增加,同時(shí)進(jìn)行信息加工可以導(dǎo)致相應(yīng)頻段的腦電信號(hào)振蕩的幅度減低或者阻滯,這種電生理現(xiàn)象稱(chēng)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(dòng),將其稱(chēng)為事件相關(guān)同步化(ERS)。ERD/ERS具有以下特點(diǎn)。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(dòng)頻率范圍波動(dòng)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(chēng)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(guò)程。不同頻段在正常和病理的運(yùn)動(dòng)加工過(guò)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(dú)立功能調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)參與運(yùn)動(dòng)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(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)反應(yīng)振蕩活動(dòng)在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始前幾百毫秒出現(xiàn)并持續(xù)到運(yùn)動(dòng)結(jié)束后幾秒鐘。例如,在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始前幾百毫秒,alpha和beta頻段的能量會(huì)迅速降低(ERD),在運(yùn)動(dòng)結(jié)束之后1～2sbeta頻段能量會(huì)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(yùn)動(dòng)相關(guān)任務(wù)時(shí),mu和beta頻段的ERD/ERS出現(xiàn)在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層,并且具有對(duì)側(cè)優(yōu)勢(shì)。隨著MEG的發(fā)展,很多研究者開(kāi)始采用MEG記錄磁信號(hào)進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)受試者在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)相關(guān)任務(wù)時(shí),mu頻段ERD/ERS位于中央?yún)^(qū),具有對(duì)側(cè)優(yōu)勢(shì),并且基本與軀體感覺(jué)皮層定位相一致。對(duì)于beta頻段來(lái)講,運(yùn)動(dòng)前ERD產(chǎn)生于中央前、后回,運(yùn)動(dòng)后ERS在中央前回皮層的稍前處。Beta頻段的單側(cè)優(yōu)勢(shì)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(diǎn)。Gamma頻段一般是指大于30Hz的振蕩活動(dòng),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(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí),高頻gammaERS會(huì)出現(xiàn)在對(duì)側(cè)中央運(yùn)動(dòng)皮層手部所代表的區(qū)域,但是他們沒(méi)有報(bào)道低頻gamma振蕩。Waldert等關(guān)于gamma活動(dòng)的MEG研究也得出了相似的結(jié)果。Huo等對(duì)20例受試者進(jìn)行簡(jiǎn)單的食指運(yùn)動(dòng)并對(duì)所記錄到的MEG信號(hào)進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn)有19例受試者出現(xiàn)了對(duì)側(cè)高頻gammaERS,其中15例受試者同時(shí)出現(xiàn)了同側(cè)低頻gammaERD,因此他們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)皮層的對(duì)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(duì)癲癇患者進(jìn)行術(shù)前功能區(qū)的定位。Pfurtscheller等報(bào)道了4例術(shù)前癲癇患者在進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)時(shí),同步記錄并提取相關(guān)的皮層腦電圖(Electrocorticogram,ECoG)信號(hào)進(jìn)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(duì)2例中央?yún)^(qū)皮層發(fā)育不良難治性癲癇患者進(jìn)行口或手自主運(yùn)動(dòng)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(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)功能的恢復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)前區(qū)在調(diào)控不同運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)和單手運(yùn)動(dòng)(程序化運(yùn)動(dòng)或自主運(yùn)動(dòng))時(shí)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)皮層會(huì)涉及,而在雙手任務(wù)中運(yùn)動(dòng)前區(qū)的多區(qū)域和小腦也會(huì)涉及,這些區(qū)域的涉及會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)復(fù)雜程度的增加而明顯。研究者還對(duì)影響感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)ERD/ERS的變化因素進(jìn)行了探討。Iannetti等采用激光脈沖刺激手背研究傷害感受過(guò)程,發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)的alphaERS大小與刺激強(qiáng)度成正相關(guān)。Streltsova等發(fā)現(xiàn)相同部位的不同動(dòng)作和姿勢(shì)引起的ERD大小不同,其中有意義的動(dòng)作和姿勢(shì)引起的ERD值更大。Tanaka等發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)疲勞后,同側(cè)和中央前區(qū)的betaERD能夠代償性增強(qiáng)。Behmer等研究發(fā)現(xiàn)音樂(lè)家在聽(tīng)音樂(lè)、觀看樂(lè)譜或演奏時(shí)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)的muERD值高于普通正常人。另外,腦電信號(hào)是否可以預(yù)測(cè)動(dòng)作或想象動(dòng)作的發(fā)生是很多人感興趣的問(wèn)題,Morashd等就對(duì)8例健康受試者進(jìn)行了嘗試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或想象運(yùn)動(dòng)之前ERD/ERS所具有的特異性可以使其起到預(yù)測(cè)的作用。在臨床方面,許多疾病會(huì)影響到感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)的功能,ERD/ERS分析方法可以無(wú)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(duì)19例有中央溝附近膠質(zhì)瘤的患者進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)不同部位的自主運(yùn)動(dòng)振蕩活動(dòng)的改變不同?；颊呤肿灾鬟\(yùn)動(dòng)時(shí),mu和betaERD功能解剖邊界得以保留,并且仍具有對(duì)側(cè)優(yōu)勢(shì),但是足的自主運(yùn)動(dòng)區(qū)卻發(fā)生了變化。Visani等對(duì)翁倫病(Unverricht-Lundborgdisease,ULD)患者和健康對(duì)照組的研究發(fā)現(xiàn)ULD組alphaERD在對(duì)側(cè)中央?yún)^(qū)更多并且運(yùn)動(dòng)后betaERS減少。中央?yún)^(qū)alphaERD范圍增加說(shuō)明運(yùn)動(dòng)始動(dòng)異常,而運(yùn)動(dòng)后betaERS減少則說(shuō)明運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)始動(dòng)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(yùn)動(dòng)相關(guān)任務(wù)時(shí),患側(cè)半球alpha和betaERD降低,而健側(cè)半球alpha和betaERD增強(qiáng)。患側(cè)手在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)的時(shí)候健側(cè)半球可以起到代償作用,說(shuō)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)重建。Wilson等對(duì)4例腦卒中患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)治療,其中有2例患者同時(shí)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(hào),并對(duì)相應(yīng)區(qū)域腦的磁信號(hào)進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shuō)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(píng)定指標(biāo)。Stepien等對(duì)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(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)在完成對(duì)側(cè)手指運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)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(méi)有差異。說(shuō)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(duì)認(rèn)知功能的影響DeltaERS的變化有助于對(duì)情感認(rèn)知功能的評(píng)價(jià)。Klados等從國(guó)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(lèi)情感圖片。他們應(yīng)用MEG記錄了25例健康受試者對(duì)圖片反應(yīng)的磁信號(hào)并對(duì)其進(jìn)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(shuō)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(tīng)覺(jué)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(duì)theta頻段進(jìn)行ERD/ERS分析,發(fā)現(xiàn)男性和女性定向能力無(wú)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(xiàng)研究提示,對(duì)于不同的性別,腦區(qū)可能有著不同的空間定向認(rèn)知機(jī)制。另外,Tavabi等應(yīng)用聽(tīng)覺(jué)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(duì)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(duì)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(shí)間延遲而且alphaERD值較正常組高。Xu等發(fā)現(xiàn)VD患者組與對(duì)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(duì)其認(rèn)知功能的影響。對(duì)于兩種不同的記憶任務(wù),健康對(duì)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(duì)認(rèn)知功能的影響。在對(duì)精神疾病的研究中,Bachman等發(fā)現(xiàn)與健康對(duì)照相比,在工作記憶負(fù)擔(dān)加重時(shí),患精神分裂和無(wú)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(wú)精神分裂的雙胞胎的神經(jīng)認(rèn)知機(jī)制發(fā)生改變有關(guān)。Wilson等對(duì)青少年精神分裂患者和健康對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)在接受左指刺激時(shí)患者組右側(cè)小腦皮質(zhì)alpha和gammaERD值高于對(duì)照組;接受右指刺激時(shí)患者組雙側(cè)小腦、右中央后回alpha和gammaERD值高于對(duì)照組,右中央后回alphaERS值對(duì)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(jué)運(yùn)動(dòng)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(duì)12例PD患者進(jìn)行了這方面的研究。經(jīng)過(guò)DBS治療3個(gè)月后,Beck抑郁量表結(jié)果與對(duì)愉悅圖片alphaERD值有高度相關(guān)性,即Beck抑郁量表得分越高