轻、中度缺氧对事件相关电位的影响及不同刺激模式的比较
作者：程宏伟 马瑞山 倪鹤鹦 王兴邦
单位：第四军医大学航空生理学教研室，西安 710032
关键词：缺氧；血氧饱和度(SaO2)；事件相关电位(ERP)；P3(P300)；反应时(RT)；刺激模式
航天医学与医学工程990106
摘要:目的 观察轻、中度缺氧对脑事件相关电位(ERP)的影响,比较不同刺激模式诱发的ERP对缺氧的敏感性。方法 12名受试者在地面、2500m和4300m模拟高度(吸入低氧混合气)分别进行视觉Oddball、Sternberg记忆量(MSET)为1和MSET为3的任务测试，记录ERP的P3潜伏期、波幅和反应时(RT)及反应错误率(ER)。结果 4300m高度缺氧时P3潜伏期显著延长,任务难度较大时(Sternberg模式 MSET=3)ER增高; 2500m高度缺氧时各指标无明显改变; 以Sternberg模式MSET=1诱发的ERP波形清晰,缺氧时P3潜伏期延长显著。结论 4300m高度缺氧对ERP有明显影响，P3潜伏期是评定缺氧时脑认知能力降低的敏感指标。Sternberg模式MSET=1诱发的ERP对缺氧敏感，是一种较为理想的刺激模式。
, http://www.100md.com
中图分类号：R857.123 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)01-0023-05
Effects of Mild and Moderate Hypoxia on Event-related Potentials and the Comparison of Different Stimulus Paradigms
CHENG Hong-wei
(Department of Aerospace Physiology,Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)
MA Rui-shan,NI He-ying,WANG Xing-bang.
Abstract:Objective To investigate the effects of mild and moderate hypoxia on event-related potentials (ERP)，and to compare the sensitivity of different stimulus paradigms to hypoxia.Methods Twelve subjects performed visual Oddball and memory set size (MSET) 1 and MSET 3 of Sternberg tasks on the ground and at the simulated altitudes of 2500m and 4300m by breathing low oxygen mixtures.P3 latency and amplitude of ERP，reaction time (RT) and response error rate (ER) were recorded.Results During hypoxia at the altitude of 4300m，P3 latency significantly delayed，and ER was high when the difficulty of task increased (Sternberg paradigm with MSET 3).In contrast，at the altitude of 2500m no changes were observed.Sternberg paradigm with MSET 1，in comparison with others，could elicit clearer ERP waves，and P3 latency was slower during hypoxia.Conclusion Hypoxia at the altitude of 4300m has strong influence on ERP.P3 latency can be used as a sensitive index in evaluating the decrement of brain cognitive capacity during hypoxia.ERP elicited by Sternberg paradigm with MSET 1 was more sensitive to hypoxia.
, 百拇医药
Key words:hypoxia;arterial oxyhemoglobin saturation(SaO2);event related potentials(ERP);P3(P300);reaction time(RT);stimulus paradigm
对急性缺氧时脑认知能力的评定，以往多采用工效学的方法[1～3]，而脑事件相关电位(ERP)方法则是一种新的尝试[4～7]。急性高空缺氧会引起工效的明显降低，然而在工效的测量中，会受到外部高度因素如寒冷和脱水等影响，不能反映由于缺氧引起的“纯"的认知能力的改变[7]。近年来，随着对ERP的不断深入研究，特别是对其P3成分反映认知活动意义的明确了解，ERP提供了一种直接测量脑认知能力改变的有效方法。对ERP的研究结果表明[8]，ERP的P3(或称P300)波是内源性成分，与认知过程密切相关，能够反映人脑信息的加工过程。P3潜伏期反映了大脑对刺激的评价时间，它相对独立于对刺激反应的选择与执行;而作为传统的工效学或行为指标的反应时(RT)则是两个过程即刺激的评价时间和反应的选择与执行时间的总和。在一定的缺氧高度暴露，脑的认知能力降低，因此缺氧可能会引起反映认知活动的P3潜伏期或波幅的改变。P3可直接测量与评定脑认知能力，与影响工效的外部因素无关，较为稳定; 而RT的影响因素多，变异大。因此对于缺氧时脑认知能力的评定，ERP可能比工效的测量方法更为灵敏和有效。
, http://www.100md.com
通常诱发ERP有Oddball和Sternberg两种模式[8]。前者任务简单，实现起来较为容易,应用也最为广泛; 而后者任务难度大，实现也比较困难，但此模式在反映记忆功能方面更为敏感[9，10]。在急性缺氧时,记忆功能易受损害[2,11],所以用Sternberg模式诱发的ERP可能对缺氧更为敏感。
本试验以吸入低氧混合气模拟2500 m和4300 m高度缺氧,以Oddball模式、Sternberg模式记忆量(memory set size，MSET)为1和MSET为3诱发ERP,并同时记录RT和反应错误率(response error rate，ER)等行为指标。其研究目的有二: (1)观察轻、中度缺氧对ERP的影响，P3是否改变，能否作为缺氧时脑认知能力评定的指标; (2)比较各种不同刺激模式，观察哪种诱发的ERP对缺氧更为敏感。
方 法
, 百拇医药
受试者 12名男性受试者均为本校学员，年龄(18～20)岁。裸眼视力在1.0以上，均为右利手。既往无神经、精神系统疾病史。
缺氧条件 以低氧混合气模拟缺氧。本试验分为地面、2500 m和4300 m 3种高度(为便于和国内外参考文献比较[1～3，7，12]，轻中度缺氧选用2500 m和4300 m高度)，试验时通过供氧调节器分别吸入空气和两种缺氧高度的氮氧混合气，以呼出气监测仪1H21A(三荣，日本)监测吸入气氧浓度等，以血氧饱和度计(Ohmeda，美国)用耳探头夹在左耳耳垂处连续测量血氧饱和度(SaO2)。
刺激模式[9，10] 均以视觉方式呈现。
Oddball模式 试验中在计算机显示器上随机呈现字母“T"或“X"，其中“T"出现的概率为20%，作为靶刺激(target stimulus，Ts),“X"出现的概率为80%,作为非靶刺激(non-target stimulus，NTs)。每个刺激呈现的时间是60 ms,刺激之间的间隔是2 s，共呈现150次。当刺激呈现时让受试者作出判断,如果出现的是Ts，则按表示肯定的标有"是"的电键;如果出现的是NTs，则按表示否定的标有"否"的电键。从刺激出现到按键反应的时间为RT。
, http://www.100md.com
Sternberg模式，MEST=1 首先随机呈现一个数字(1～9)让受试者识记(即MSET=1)，然后随机出现一个探测数字(也是一个数字)让受试者作出判断，如果探测数字和刚刚识记过的数字相同(称为Ts)，就按“是"的电键; 如果探测数字和刚刚识记过的数字不同(称为NTs),就按“否"的电键。然后重复“识记-判断”这一过程，从探测数字出现到按键反应的时间为RT。Ts和NTs总共出现60次，各占50%。
Sternberg模式，MSET=3 首先随机呈现三个不同的数字让受试者识记(即MSET=3)，然后随机出现一个探测数字让受试者判断，如果探测数字在刚刚识记过的三个数字之中(Ts)，就按“是"的电键; 如果探测数字不在刚刚识记过的三个数字之中(NTs)，就按"否"的电键。其它均与MSET=1时相同。
指标记录和测量 采用Ag-AgCl盘状电极置于国际标准10～20系统电极放置法的Pz点记录脑电图(EEG)，同时在右眼睑上方和外眦下方放置两个电极记录眼电图(EOG)。EEG和EOG信号通过RM6000多道仪(光电，日本)生物电盒输入，由AB-621G生物电放大器进行放大(高频滤波30 Hz，时间常数2s)，并和计算机发出的Ts、NTs和反应正确的状态信号一并记录于A69磁带机(Sony，日本)，可进行提取ERP的实时处理，也可脱机后再行处理。将存贮的信号输入带有A/D板的计算机进行采样(EEG采样频率为500 Hz,自动排除眼动和错误回答)，对EEG叠加平均处理，提取出ERP。以刺激出现前150 ms的叠加平均值作为基线，以刺激出现后250～650 ms内最大的正相波为P3波[5]，使用游标测算P3潜伏期(刺激出现至P3波峰的时间)和波幅(基线至P3波峰的幅值)。RT和反应错误率(ER)由计算机记录，ER是指反应错误和遗漏的次数占刺激数的百分比。
, http://www.100md.com
试验步骤 每个受试者均需在三个高度(地面、2500 m和4300 m)完成三种任务(Oddball任务，Sternberg MSET=1,和MSET=3任务)，即共有9种组合。受试者贴好电极后，坐在电屏蔽室内的沙发上，拿好电键，戴好供氧面罩，吸入相应高度气体，待SaO2大致趋于稳定约10 min后开始预定刺激模式的试验任务[13]。高度对受试者保密，地面高度也要戴上供氧面罩，只是呼吸空气而已。
统计分析 采用随机单位组方差分析、秩和检验和一般统计量的计算等，在本校统计学教研室研制的“SPLM"软件包上进行。
结 果
不同高度缺氧对血氧饱和度的影响 由图1可见，在吸入低氧混合气10 min以后，SaO2达到一定水平并基本趋于稳定，此时即开始各种刺激任务，至24 min结束，同时吸入空气，SaO2约3～5min后恢复至地面水平。吸入相应高度气体10～24 min期间，地面、2500 m和4300 m高度SaO2的值(
±s，n=12)分别为(97.44±0.03)%、(94.06±0.05)%和(84.16±0.36)%,高度间方差分析两两比较，差异均显著(P<0.001)。
, http://www.100md.com
图1 缺氧对血氧饱和度的影响
Fig.1 Effect of hypoxia on arterial oxyhemoglobin saturation
3种刺激模式下不同高度缺氧对ERP、RT和ER的影响 图2为典型的ERP图形，是12名受试者在地面对照时，Oddball模式Ts诱发的总体平均ERP图形。
图2 典型的事件相关电位图形
Fig.2 A typical graph of event-related potentials
由于Ts和NTs诱发的ERP之间存在许多不同，如有报道Oddball模式NTs诱发不出明显的P3波[5]，Sternberg模式NTs诱发的P3潜伏期较Ts诱发的P3潜伏期长[14]等，因此，多数文献在提到ERP时均指Ts诱发的ERP，本试验也只对Ts的ERP、RT和ER进行结果分析。
, 百拇医药
刺激模式为Oddball模式时 (表1)
表1 不同高度缺氧对P3潜伏期、波幅、反应时和反应错误率的影响(±s，n=12)
Table 1 Effect of hypoxia on P3 latency，amplitude，reaction time and response error rate(±s，n=12) 刺激模式
(stimulus paradigm)
缺氧高度
, http://www.100md.com (altitude)
P3潜伏期(ms)
(P3 latency)
P3波幅(μv)
(P3 amplitude)
反应时(ms)
(reaction time)
错误率(%)
(error rate)
Oddball
地面(ground)
, http://www.100md.com
373.67±5.15
25.74±2.17
383.08±15.53
9.18±2.37
2500 m
379.00±6.01
24.35±1.62
385.86±11.44
10.28±2.83
4300 m
385.00±7.68*
, 百拇医药
22.77±1.06
375.58±10.94
8.33±1.81
Sternberg
地面(ground)
341.67±7.24
22.65±1.27
403.70±18.18
1.11±0.63
MSET=1
2500 m
, 百拇医药 348.00±9.48
24.12±1.49
406.60±18.83
2.77±1.28
4300 m
353.33±8.52*
22.77±1.18
389.19±15.48
1.38±0.87
Sternberg
地面(ground)
, 百拇医药
354.00±6.89
18.95±1.31
462.83±11.78
2.08±1.25
MSET=3#
2500 m
375.50±12.84
20.14±1.41
436.31±19.98
2.90±0.76
4300 m
, 百拇医药
394.00±20.42*
20.07±2.13
453.86±19.65
6.69±1.67
注：*P<0.05，与各自刺激模式时的地面比较；#此模式时n=8 Note：*P<0.05,as compared with the ground value in the same stimulus paratigm;#for sternberg MSET=3,n=8
随机单位组方差分析：P3潜伏期在高度间差异显著(P=0.0331)，两两比较4300 m与地面间差异显著(P=0.0332); P3波幅在高度间无显著差异(P=0.0884)；RT在高度间亦无显著差异(P=0.3769)。随机单位组多组秩和检验(因ER数据呈偏态分布，处理组间方差不齐，故采用非参数统计)，3种高度间ER无显著差异(P>0.05)。这一结果表明，4300 m高度缺氧时P3潜伏期延长，P3波幅虽有降低，但未达到统计学显著性水平。
, 百拇医药
刺激模式为Sternberg 模式，MEST=1时 随机单位组方差分析：P3潜伏期在高度间差异显著(P=0.0107)，两两比较4300 m与地面间差异显著(P=0.0127); P3波幅在高度间无显著差异(P=0.0790)；RT在高度间亦无显著差异(P=0.2754)。随机单位组多组秩和检验，三种高度间ER无显著差异(P>0.05)。这一结果表明，4300 m高度缺氧时P3潜伏期延长，P3波幅无明显改变(表1)。
刺激模式为Sternberg模式，MEST=3时 此模式诱发的ERP波形比较杂乱,故个别受试者的P3波测量困难。因此，结果分析只对较为清晰的8名受试者的ERP测量了P3潜伏期和波幅，RT和ER亦采用了这8名受试者的结果。结果见表1。
随机单位组方差分析结果表明，P3潜伏期(因处理组间方差不齐，作变量代换后再进行分析)在三种高度间差异显著(P=0.0375)，两两比较4300 m与地面间差异显著(P=0.0471)，即4300 m高度缺氧时P3潜伏期延长; P3波幅在三种高度间无显著差异(P=0.7310)；RT在高度间亦无显著差异(P=0.3365)。随机单位组多组秩和检验，ER在三种高度间差异显著(P<0.05)，4300 m高度缺氧时ER增高。
, http://www.100md.com
讨 论
缺氧试验中SaO2的记录 本试验以吸入低氧混合气模拟2500 m和4300 m高度缺氧，在吸入低氧气体10 min后开始试验至试验结束的14 min期间测得SaO2值与文献报道基本一致[3,7,11]。如果吸入低氧气体的时间再长一些，SaO2可能还会有所降低。试验时监测吸入气氧浓度是为了避免面罩渗气。由于外耳部与脑的解剖位置相近，故记录外耳部的SaO2可反映脑动脉血氧分压的变化和脑组织的缺氧程度[2]。在缺氧试验中记录SaO2对于监测观察机体的缺氧水平有很重要的意义。
轻、中度缺氧对ERP及行为指标的影响 以往的研究结果表明，在较严重缺氧、SaO2较低时，认知工效降低[2,12]，P3潜伏期延长[4,5,7]；而在较低高度的轻、中度缺氧时，对工效的影响尚存在许多分歧[1,3]，对ERP的影响研究资料少，亦无一致意见[6]。本试验结果表明，在2500 m高度缺氧时，P3潜伏期、P3波幅、RT和ER均无明显的改变; 4300m高度缺氧时P3潜伏期延长，与Wesensten等[7]的结果一致，P3波幅和RT则无明显变化，ER在任务难度较大时增高。因此，从本试验结果看，2500 m高度缺氧对脑认知能力无明显影响，而4300 m高度缺氧时脑认知能力降低。P3潜伏期是评定缺氧时脑认知能力降低的敏感指标。
, http://www.100md.com
P3波是内源性成分，不受外部因素的影响，较为稳定，而RT的影响因素多，变异大[8]。RT的测定需要给被试者多次练习，使其对每次刺激的按键速度基本一致，按键的熟练程度是RT变异的主要来源,而P3的出现只与对刺激的评价时间有关，并不受按键熟练程度的影响[4]。因此，反映脑认知活动P3比RT客观准确和敏感,本试验结果也证实了这一点，P3潜伏期为研究缺氧对脑认知能力的损害提供了一种有效的方法。
轻、中度缺氧时不同刺激模式的比较 在Oddball模式中，整个试验过程受试者只需将每个刺激与一个固定的识记项(即靶刺激)进行比较，判断该刺激是否为靶刺激，任务简单、容易。而在Sternberg模式中，则要求受试者判断探测数字是否在刚识记过的记忆词表中，每个探测数字都要和一组新的识记项目比较，任务难度大，要求高。Sternberg模式有更多的记忆机制参与，其诱发的P3更能反映记忆功能[9,10]。在急性缺氧时记忆能力易受损害，因此从理论上讲Sternberg模式诱发的P3对缺氧更为敏感，但是，本试验的结果对此未能提供直接有力的证据: 在2500 m高度时，试验中所用的三种模式诱发的P3潜伏期均无明显改变，而4300 m高度缺氧时P3潜伏期均显著延长。这可能与本试验选用的两种缺氧高度有关: 2500 m高度缺氧，脑的认知能力无明显改变，虽然Sternberg模式诱发的P3对缺氧较为敏感，但还不足以引起P3潜伏期的明显延长; 而4300 m高度缺氧，脑认知能力明显降低，却足可以引起Oddball模式诱发的P3潜伏期延长。但从试验结果中可以发现，在4300 m高度缺氧时,Sternberg模式MSET=1比Oddball模式诱发的P3潜伏期延长得更为明显。
, 百拇医药
Sternberg模式MSET=3比MSET=1的P3潜伏期长，RT亦延长，这与任务难度加大有关[9]。在4300 m高度缺氧时，任务难度大(Sternberg模式，MSET=3)会引起错误率增加。说明在完成较大难度的任务时,缺氧的影响也愈明显。从试验中还发现，Sternberg模式MSET=3诱发的ERP波形杂乱，P3测量较为困难，因此其应用也受到一定的限制。而Sternberg模式MSET=1诱发的ERP波形清晰，P3波明显。
从以上的分析中，可以看出Sternberg模式MSET=1是一种较为理想的刺激模式。但我们还应该看到 Oddball模式由于其任务简单、实现容易而被普遍地用于临床，在研究脑力工作负荷的双任务实验中，此模式也是较为合适的模式。因此，刺激模式的选择应视其具体的实验、研究目的和实验条件等情况而定。
[参考文献]
, 百拇医药
[1] Paul MA，Fraser WD.Performance during mild acute hypoxia [J].Aviat Space Environ Med，1994，65(10): 891～899
[2] 贾司光.航空航天缺氧与供氧─生理学与防护装备[M].北京: 人民军医出版社，1989: 83～88，116～158，203，207～224
[3] 张建伟，贾玉兰，贺登焰等.急性轻、中度缺氧对脑电频谱和操作能力的影响[J].中华航空医学杂志，1993，4(3): 138～140
[4] Fowler B,Kelso B.The effects of hypoxia on components of the human event-related potential and relationship to reaction time[J].Aviat Space Environ Med， 1992，63(6): 510～516
, 百拇医药
[5] Fowler B，Lindeis A-E.The effects of hypoxia on auditory reaction time and P300 latency[J].Aviat Space Environ Med，1992，63(11): 976～981
[6] Kida M,Imai A.Cognitive performance and event-related brain potentials under simulated high altitudes[J].J Appl Physiol，1993，74(4): 1735～1741
[7] Wesensten NJ，Crowley J，Balkin T et al.Effects of simulated high altitude exposure on long-latency event-related brain potentials and performance[J].Aviat Space Environ Med，1993，64(1): 30～36
, 百拇医药
[8] 程宏伟，马瑞山.脑事件相关电位及其诱发模式[J].第四军医大学学报，1994，15(增刊): 93～96
[9] Pratt H，Michalewski HJ，Barrett G et al.Brain potentials in a memory-scanning task.I.Modality and task effects on potentials to the probes[J].Electroenceph Clin Neurophysiol，1989，72(5):407～421
[10] Starr A，Barrett G.Disordered auditory short-term memory in man and event-related potentials[J].Brain，1987,110(Pt4): 935～959
[11] Ernsting J，Sharp GR，Harding RM.Hypoxia and hyperventilation[M].In: Ernsting J，King P，eds.Aviation medicine.2nd ed.London: Butterworths，1988；45～59
, 百拇医药
[12] Crowley JS，Wesensten N，Kamimori G et al.Effect of high terrestrial altitude and supplemental oxygen on human performance and mood[J].Aviat Space Environ Med，1992，63(8): 696～701
[13] kraaier V,Van Huffelen AC,Wieneke GH.Quantitative EEG changes due to hypobaric hypoxia in normal subjects[J].Electroenceph Clin Neurophysiol，1988，69(4): 303～312
[14] Ford JM，Pfefferbaum A，Tinklenberg JR et al.Effects of perceptual and cognitive difficulty on P3 and RT in young and old adults[J].Electroenceph Clin Neurophysiol，1982,54(3): 311～321
收稿日期：1998-03-26, 百拇医药
单位：第四军医大学航空生理学教研室，西安 710032
关键词：缺氧；血氧饱和度(SaO2)；事件相关电位(ERP)；P3(P300)；反应时(RT)；刺激模式
航天医学与医学工程990106
摘要:目的 观察轻、中度缺氧对脑事件相关电位(ERP)的影响,比较不同刺激模式诱发的ERP对缺氧的敏感性。方法 12名受试者在地面、2500m和4300m模拟高度(吸入低氧混合气)分别进行视觉Oddball、Sternberg记忆量(MSET)为1和MSET为3的任务测试，记录ERP的P3潜伏期、波幅和反应时(RT)及反应错误率(ER)。结果 4300m高度缺氧时P3潜伏期显著延长,任务难度较大时(Sternberg模式 MSET=3)ER增高; 2500m高度缺氧时各指标无明显改变; 以Sternberg模式MSET=1诱发的ERP波形清晰,缺氧时P3潜伏期延长显著。结论 4300m高度缺氧对ERP有明显影响，P3潜伏期是评定缺氧时脑认知能力降低的敏感指标。Sternberg模式MSET=1诱发的ERP对缺氧敏感，是一种较为理想的刺激模式。
, http://www.100md.com
中图分类号：R857.123 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)01-0023-05
Effects of Mild and Moderate Hypoxia on Event-related Potentials and the Comparison of Different Stimulus Paradigms
CHENG Hong-wei
(Department of Aerospace Physiology,Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)
MA Rui-shan,NI He-ying,WANG Xing-bang.
Abstract:Objective To investigate the effects of mild and moderate hypoxia on event-related potentials (ERP)，and to compare the sensitivity of different stimulus paradigms to hypoxia.Methods Twelve subjects performed visual Oddball and memory set size (MSET) 1 and MSET 3 of Sternberg tasks on the ground and at the simulated altitudes of 2500m and 4300m by breathing low oxygen mixtures.P3 latency and amplitude of ERP，reaction time (RT) and response error rate (ER) were recorded.Results During hypoxia at the altitude of 4300m，P3 latency significantly delayed，and ER was high when the difficulty of task increased (Sternberg paradigm with MSET 3).In contrast，at the altitude of 2500m no changes were observed.Sternberg paradigm with MSET 1，in comparison with others，could elicit clearer ERP waves，and P3 latency was slower during hypoxia.Conclusion Hypoxia at the altitude of 4300m has strong influence on ERP.P3 latency can be used as a sensitive index in evaluating the decrement of brain cognitive capacity during hypoxia.ERP elicited by Sternberg paradigm with MSET 1 was more sensitive to hypoxia.
, 百拇医药
Key words:hypoxia;arterial oxyhemoglobin saturation(SaO2);event related potentials(ERP);P3(P300);reaction time(RT);stimulus paradigm
对急性缺氧时脑认知能力的评定，以往多采用工效学的方法[1～3]，而脑事件相关电位(ERP)方法则是一种新的尝试[4～7]。急性高空缺氧会引起工效的明显降低，然而在工效的测量中，会受到外部高度因素如寒冷和脱水等影响，不能反映由于缺氧引起的“纯"的认知能力的改变[7]。近年来，随着对ERP的不断深入研究，特别是对其P3成分反映认知活动意义的明确了解，ERP提供了一种直接测量脑认知能力改变的有效方法。对ERP的研究结果表明[8]，ERP的P3(或称P300)波是内源性成分，与认知过程密切相关，能够反映人脑信息的加工过程。P3潜伏期反映了大脑对刺激的评价时间，它相对独立于对刺激反应的选择与执行;而作为传统的工效学或行为指标的反应时(RT)则是两个过程即刺激的评价时间和反应的选择与执行时间的总和。在一定的缺氧高度暴露，脑的认知能力降低，因此缺氧可能会引起反映认知活动的P3潜伏期或波幅的改变。P3可直接测量与评定脑认知能力，与影响工效的外部因素无关，较为稳定; 而RT的影响因素多，变异大。因此对于缺氧时脑认知能力的评定，ERP可能比工效的测量方法更为灵敏和有效。
, http://www.100md.com
通常诱发ERP有Oddball和Sternberg两种模式[8]。前者任务简单，实现起来较为容易,应用也最为广泛; 而后者任务难度大，实现也比较困难，但此模式在反映记忆功能方面更为敏感[9，10]。在急性缺氧时,记忆功能易受损害[2,11],所以用Sternberg模式诱发的ERP可能对缺氧更为敏感。
本试验以吸入低氧混合气模拟2500 m和4300 m高度缺氧,以Oddball模式、Sternberg模式记忆量(memory set size，MSET)为1和MSET为3诱发ERP,并同时记录RT和反应错误率(response error rate，ER)等行为指标。其研究目的有二: (1)观察轻、中度缺氧对ERP的影响，P3是否改变，能否作为缺氧时脑认知能力评定的指标; (2)比较各种不同刺激模式，观察哪种诱发的ERP对缺氧更为敏感。
方 法
, 百拇医药
受试者 12名男性受试者均为本校学员，年龄(18～20)岁。裸眼视力在1.0以上，均为右利手。既往无神经、精神系统疾病史。
缺氧条件 以低氧混合气模拟缺氧。本试验分为地面、2500 m和4300 m 3种高度(为便于和国内外参考文献比较[1～3，7，12]，轻中度缺氧选用2500 m和4300 m高度)，试验时通过供氧调节器分别吸入空气和两种缺氧高度的氮氧混合气，以呼出气监测仪1H21A(三荣，日本)监测吸入气氧浓度等，以血氧饱和度计(Ohmeda，美国)用耳探头夹在左耳耳垂处连续测量血氧饱和度(SaO2)。
刺激模式[9，10] 均以视觉方式呈现。
Oddball模式 试验中在计算机显示器上随机呈现字母“T"或“X"，其中“T"出现的概率为20%，作为靶刺激(target stimulus，Ts),“X"出现的概率为80%,作为非靶刺激(non-target stimulus，NTs)。每个刺激呈现的时间是60 ms,刺激之间的间隔是2 s，共呈现150次。当刺激呈现时让受试者作出判断,如果出现的是Ts，则按表示肯定的标有"是"的电键;如果出现的是NTs，则按表示否定的标有"否"的电键。从刺激出现到按键反应的时间为RT。
, http://www.100md.com
Sternberg模式，MEST=1 首先随机呈现一个数字(1～9)让受试者识记(即MSET=1)，然后随机出现一个探测数字(也是一个数字)让受试者作出判断，如果探测数字和刚刚识记过的数字相同(称为Ts)，就按“是"的电键; 如果探测数字和刚刚识记过的数字不同(称为NTs),就按“否"的电键。然后重复“识记-判断”这一过程，从探测数字出现到按键反应的时间为RT。Ts和NTs总共出现60次，各占50%。
Sternberg模式，MSET=3 首先随机呈现三个不同的数字让受试者识记(即MSET=3)，然后随机出现一个探测数字让受试者判断，如果探测数字在刚刚识记过的三个数字之中(Ts)，就按“是"的电键; 如果探测数字不在刚刚识记过的三个数字之中(NTs)，就按"否"的电键。其它均与MSET=1时相同。
指标记录和测量 采用Ag-AgCl盘状电极置于国际标准10～20系统电极放置法的Pz点记录脑电图(EEG)，同时在右眼睑上方和外眦下方放置两个电极记录眼电图(EOG)。EEG和EOG信号通过RM6000多道仪(光电，日本)生物电盒输入，由AB-621G生物电放大器进行放大(高频滤波30 Hz，时间常数2s)，并和计算机发出的Ts、NTs和反应正确的状态信号一并记录于A69磁带机(Sony，日本)，可进行提取ERP的实时处理，也可脱机后再行处理。将存贮的信号输入带有A/D板的计算机进行采样(EEG采样频率为500 Hz,自动排除眼动和错误回答)，对EEG叠加平均处理，提取出ERP。以刺激出现前150 ms的叠加平均值作为基线，以刺激出现后250～650 ms内最大的正相波为P3波[5]，使用游标测算P3潜伏期(刺激出现至P3波峰的时间)和波幅(基线至P3波峰的幅值)。RT和反应错误率(ER)由计算机记录，ER是指反应错误和遗漏的次数占刺激数的百分比。
, http://www.100md.com
试验步骤 每个受试者均需在三个高度(地面、2500 m和4300 m)完成三种任务(Oddball任务，Sternberg MSET=1,和MSET=3任务)，即共有9种组合。受试者贴好电极后，坐在电屏蔽室内的沙发上，拿好电键，戴好供氧面罩，吸入相应高度气体，待SaO2大致趋于稳定约10 min后开始预定刺激模式的试验任务[13]。高度对受试者保密，地面高度也要戴上供氧面罩，只是呼吸空气而已。
统计分析 采用随机单位组方差分析、秩和检验和一般统计量的计算等，在本校统计学教研室研制的“SPLM"软件包上进行。
结 果
不同高度缺氧对血氧饱和度的影响 由图1可见，在吸入低氧混合气10 min以后，SaO2达到一定水平并基本趋于稳定，此时即开始各种刺激任务，至24 min结束，同时吸入空气，SaO2约3～5min后恢复至地面水平。吸入相应高度气体10～24 min期间，地面、2500 m和4300 m高度SaO2的值(
±s，n=12)分别为(97.44±0.03)%、(94.06±0.05)%和(84.16±0.36)%,高度间方差分析两两比较，差异均显著(P<0.001)。, http://www.100md.com
图1 缺氧对血氧饱和度的影响
Fig.1 Effect of hypoxia on arterial oxyhemoglobin saturation
3种刺激模式下不同高度缺氧对ERP、RT和ER的影响 图2为典型的ERP图形，是12名受试者在地面对照时，Oddball模式Ts诱发的总体平均ERP图形。
图2 典型的事件相关电位图形
Fig.2 A typical graph of event-related potentials
由于Ts和NTs诱发的ERP之间存在许多不同，如有报道Oddball模式NTs诱发不出明显的P3波[5]，Sternberg模式NTs诱发的P3潜伏期较Ts诱发的P3潜伏期长[14]等，因此，多数文献在提到ERP时均指Ts诱发的ERP，本试验也只对Ts的ERP、RT和ER进行结果分析。
, 百拇医药
刺激模式为Oddball模式时 (表1)
表1 不同高度缺氧对P3潜伏期、波幅、反应时和反应错误率的影响(
±s，n=12)Table 1 Effect of hypoxia on P3 latency，amplitude，reaction time and response error rate(
±s，n=12) 刺激模式(stimulus paradigm)
缺氧高度
, http://www.100md.com (altitude)
P3潜伏期(ms)
(P3 latency)
P3波幅(μv)
(P3 amplitude)
反应时(ms)
(reaction time)
错误率(%)
(error rate)
Oddball
地面(ground)
, http://www.100md.com
373.67±5.15
25.74±2.17
383.08±15.53
9.18±2.37
2500 m
379.00±6.01
24.35±1.62
385.86±11.44
10.28±2.83
4300 m
385.00±7.68*
, 百拇医药
22.77±1.06
375.58±10.94
8.33±1.81
Sternberg
地面(ground)
341.67±7.24
22.65±1.27
403.70±18.18
1.11±0.63
MSET=1
2500 m
, 百拇医药 348.00±9.48
24.12±1.49
406.60±18.83
2.77±1.28
4300 m
353.33±8.52*
22.77±1.18
389.19±15.48
1.38±0.87
Sternberg
地面(ground)
, 百拇医药
354.00±6.89
18.95±1.31
462.83±11.78
2.08±1.25
MSET=3#
2500 m
375.50±12.84
20.14±1.41
436.31±19.98
2.90±0.76
4300 m
, 百拇医药
394.00±20.42*
20.07±2.13
453.86±19.65
6.69±1.67
注：*P<0.05，与各自刺激模式时的地面比较；#此模式时n=8 Note：*P<0.05,as compared with the ground value in the same stimulus paratigm;#for sternberg MSET=3,n=8
随机单位组方差分析：P3潜伏期在高度间差异显著(P=0.0331)，两两比较4300 m与地面间差异显著(P=0.0332); P3波幅在高度间无显著差异(P=0.0884)；RT在高度间亦无显著差异(P=0.3769)。随机单位组多组秩和检验(因ER数据呈偏态分布，处理组间方差不齐，故采用非参数统计)，3种高度间ER无显著差异(P>0.05)。这一结果表明，4300 m高度缺氧时P3潜伏期延长，P3波幅虽有降低，但未达到统计学显著性水平。
, 百拇医药
刺激模式为Sternberg 模式，MEST=1时 随机单位组方差分析：P3潜伏期在高度间差异显著(P=0.0107)，两两比较4300 m与地面间差异显著(P=0.0127); P3波幅在高度间无显著差异(P=0.0790)；RT在高度间亦无显著差异(P=0.2754)。随机单位组多组秩和检验，三种高度间ER无显著差异(P>0.05)。这一结果表明，4300 m高度缺氧时P3潜伏期延长，P3波幅无明显改变(表1)。
刺激模式为Sternberg模式，MEST=3时 此模式诱发的ERP波形比较杂乱,故个别受试者的P3波测量困难。因此，结果分析只对较为清晰的8名受试者的ERP测量了P3潜伏期和波幅，RT和ER亦采用了这8名受试者的结果。结果见表1。
随机单位组方差分析结果表明，P3潜伏期(因处理组间方差不齐，作变量代换后再进行分析)在三种高度间差异显著(P=0.0375)，两两比较4300 m与地面间差异显著(P=0.0471)，即4300 m高度缺氧时P3潜伏期延长; P3波幅在三种高度间无显著差异(P=0.7310)；RT在高度间亦无显著差异(P=0.3365)。随机单位组多组秩和检验，ER在三种高度间差异显著(P<0.05)，4300 m高度缺氧时ER增高。
, http://www.100md.com
讨 论
缺氧试验中SaO2的记录 本试验以吸入低氧混合气模拟2500 m和4300 m高度缺氧，在吸入低氧气体10 min后开始试验至试验结束的14 min期间测得SaO2值与文献报道基本一致[3,7,11]。如果吸入低氧气体的时间再长一些，SaO2可能还会有所降低。试验时监测吸入气氧浓度是为了避免面罩渗气。由于外耳部与脑的解剖位置相近，故记录外耳部的SaO2可反映脑动脉血氧分压的变化和脑组织的缺氧程度[2]。在缺氧试验中记录SaO2对于监测观察机体的缺氧水平有很重要的意义。
轻、中度缺氧对ERP及行为指标的影响 以往的研究结果表明，在较严重缺氧、SaO2较低时，认知工效降低[2,12]，P3潜伏期延长[4,5,7]；而在较低高度的轻、中度缺氧时，对工效的影响尚存在许多分歧[1,3]，对ERP的影响研究资料少，亦无一致意见[6]。本试验结果表明，在2500 m高度缺氧时，P3潜伏期、P3波幅、RT和ER均无明显的改变; 4300m高度缺氧时P3潜伏期延长，与Wesensten等[7]的结果一致，P3波幅和RT则无明显变化，ER在任务难度较大时增高。因此，从本试验结果看，2500 m高度缺氧对脑认知能力无明显影响，而4300 m高度缺氧时脑认知能力降低。P3潜伏期是评定缺氧时脑认知能力降低的敏感指标。
, http://www.100md.com
P3波是内源性成分，不受外部因素的影响，较为稳定，而RT的影响因素多，变异大[8]。RT的测定需要给被试者多次练习，使其对每次刺激的按键速度基本一致，按键的熟练程度是RT变异的主要来源,而P3的出现只与对刺激的评价时间有关，并不受按键熟练程度的影响[4]。因此，反映脑认知活动P3比RT客观准确和敏感,本试验结果也证实了这一点，P3潜伏期为研究缺氧对脑认知能力的损害提供了一种有效的方法。
轻、中度缺氧时不同刺激模式的比较 在Oddball模式中，整个试验过程受试者只需将每个刺激与一个固定的识记项(即靶刺激)进行比较，判断该刺激是否为靶刺激，任务简单、容易。而在Sternberg模式中，则要求受试者判断探测数字是否在刚识记过的记忆词表中，每个探测数字都要和一组新的识记项目比较，任务难度大，要求高。Sternberg模式有更多的记忆机制参与，其诱发的P3更能反映记忆功能[9,10]。在急性缺氧时记忆能力易受损害，因此从理论上讲Sternberg模式诱发的P3对缺氧更为敏感，但是，本试验的结果对此未能提供直接有力的证据: 在2500 m高度时，试验中所用的三种模式诱发的P3潜伏期均无明显改变，而4300 m高度缺氧时P3潜伏期均显著延长。这可能与本试验选用的两种缺氧高度有关: 2500 m高度缺氧，脑的认知能力无明显改变，虽然Sternberg模式诱发的P3对缺氧较为敏感，但还不足以引起P3潜伏期的明显延长; 而4300 m高度缺氧，脑认知能力明显降低，却足可以引起Oddball模式诱发的P3潜伏期延长。但从试验结果中可以发现，在4300 m高度缺氧时,Sternberg模式MSET=1比Oddball模式诱发的P3潜伏期延长得更为明显。
, 百拇医药
Sternberg模式MSET=3比MSET=1的P3潜伏期长，RT亦延长，这与任务难度加大有关[9]。在4300 m高度缺氧时，任务难度大(Sternberg模式，MSET=3)会引起错误率增加。说明在完成较大难度的任务时,缺氧的影响也愈明显。从试验中还发现，Sternberg模式MSET=3诱发的ERP波形杂乱，P3测量较为困难，因此其应用也受到一定的限制。而Sternberg模式MSET=1诱发的ERP波形清晰，P3波明显。
从以上的分析中，可以看出Sternberg模式MSET=1是一种较为理想的刺激模式。但我们还应该看到 Oddball模式由于其任务简单、实现容易而被普遍地用于临床，在研究脑力工作负荷的双任务实验中，此模式也是较为合适的模式。因此，刺激模式的选择应视其具体的实验、研究目的和实验条件等情况而定。
[参考文献]
, 百拇医药
[1] Paul MA，Fraser WD.Performance during mild acute hypoxia [J].Aviat Space Environ Med，1994，65(10): 891～899
[2] 贾司光.航空航天缺氧与供氧─生理学与防护装备[M].北京: 人民军医出版社，1989: 83～88，116～158，203，207～224
[3] 张建伟，贾玉兰，贺登焰等.急性轻、中度缺氧对脑电频谱和操作能力的影响[J].中华航空医学杂志，1993，4(3): 138～140
[4] Fowler B,Kelso B.The effects of hypoxia on components of the human event-related potential and relationship to reaction time[J].Aviat Space Environ Med， 1992，63(6): 510～516
, 百拇医药
[5] Fowler B，Lindeis A-E.The effects of hypoxia on auditory reaction time and P300 latency[J].Aviat Space Environ Med，1992，63(11): 976～981
[6] Kida M,Imai A.Cognitive performance and event-related brain potentials under simulated high altitudes[J].J Appl Physiol，1993，74(4): 1735～1741
[7] Wesensten NJ，Crowley J，Balkin T et al.Effects of simulated high altitude exposure on long-latency event-related brain potentials and performance[J].Aviat Space Environ Med，1993，64(1): 30～36
, 百拇医药
[8] 程宏伟，马瑞山.脑事件相关电位及其诱发模式[J].第四军医大学学报，1994，15(增刊): 93～96
[9] Pratt H，Michalewski HJ，Barrett G et al.Brain potentials in a memory-scanning task.I.Modality and task effects on potentials to the probes[J].Electroenceph Clin Neurophysiol，1989，72(5):407～421
[10] Starr A，Barrett G.Disordered auditory short-term memory in man and event-related potentials[J].Brain，1987,110(Pt4): 935～959
[11] Ernsting J，Sharp GR，Harding RM.Hypoxia and hyperventilation[M].In: Ernsting J，King P，eds.Aviation medicine.2nd ed.London: Butterworths，1988；45～59
, 百拇医药
[12] Crowley JS，Wesensten N，Kamimori G et al.Effect of high terrestrial altitude and supplemental oxygen on human performance and mood[J].Aviat Space Environ Med，1992，63(8): 696～701
[13] kraaier V,Van Huffelen AC,Wieneke GH.Quantitative EEG changes due to hypobaric hypoxia in normal subjects[J].Electroenceph Clin Neurophysiol，1988，69(4): 303～312
[14] Ford JM，Pfefferbaum A，Tinklenberg JR et al.Effects of perceptual and cognitive difficulty on P3 and RT in young and old adults[J].Electroenceph Clin Neurophysiol，1982,54(3): 311～321
收稿日期：1998-03-26, 百拇医药