脑电同步指数谱：计算方法及视觉选择反应中的关联性变化
作者：魏金河 赵仑 任维 严拱东 李大琛 杨明浩
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：脑电同步指数谱；相干；选择注意； 认知活动
航天医学与医学工程000204摘要： 目的 脑电相干幅谱是目前用来研究脑电同步性变化的主要指标，但由于计算中可靠性的要求，不可能同时具备较高的时间和频率分辨率，因此其应用价值受限，特别是难以进行事件关联性观察。为此,本文报道一个可以克服上述局限的新方法。 方法 1.利用快速哈特莱变换和建立的算法得出具有1 s和1 Hz分辨率的相干相位。2. 对相干相位值序列的动态变化和分布特征进行分析。3. 根据相干相位的分布特征提出了脑电同步指数谱SynI(f)的概念和计算方法。利用此方法，计算了25名正常青年被试者在对视觉信号进行选择区分反应作业中的事件关联脑电同步指数谱。 结果 (1) 左右脑区之间的脑电同步指数谱表现出一定的脑区-频率特征，在额区α活动的SynI高于其它频率，但在后脑区则相反；(2) 除中央脑区外，额区和后脑区的中线与左右两侧的SynI有不大但统计上显著的差别，且都是右侧大于左侧； (3) 与VC比, DR作业中靶信号在中央脑区和后脑区引起SynI显著增大，但在中央脑区主要发生在7～23 Hz，而在后脑区则在1～4 Hz，额区无明显变化；对非靶信号的反应在程度上明显小于靶信号，特别是后脑区的1～4 Hz活动。 结论 本文报道的脑电同步指数谱可以从一个新的侧面揭示出脑在进行认知活动中的空间-频率反应特性。
, http://www.100md.com
中图分类号：R741.044；R338.3 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0095-06
EEG Synchronization Index Spectrum: Definition, Calculation and The Changes related to Visual Selective Response
WEI Jin-he，ZHAO Lun，REN Wei，YAN Gong-dong，LI Da-chen，YANG Ming-hao.
Abstract: Objective EEG synchronization is usually estimated in terms of coherence amplitude, but the estimation is with apparent uncertainty because of the poor resolution both in time and frequency. The purpose of this work is to surmount this problem. Method A new definition of EEG synchronization index spectrum[SynI(f)] was developed basing on the distribution characteristics of EEG coherence phase which was calculated by a tested algorithm with 1 s and 1 Hz resolution. The basic feature and its changes during visual selective responses were calculated in 25 normal subjects. EEG signals were recorded from 9 locations in two conditions: looking at the central LED only(VC) and making switch response to the target LED flash signals(T) differentially(DR): switch to left or right for Ts from left(LVF) or right (RVF) visual field, repectively but making no response to the non-target ones(NT). Result (1) The frequency depedency of SynI varied with brain location, e.g., SynI was higher in alpha range than others at frontal locations but the situation reversed at posterior locations.(2) The SynIs between midline and right brain locations were higher than that between mid line and left ones.(3) As compared with VC, SynI was increased in DR condition at central and posterior brain locations but not frontal ones, it happened mainly in 7～23 Hz at central locations but in 1～4 Hz at posterior ones.(4) The augmentation of SynI in DR was greater for T than for NT signals. Conclusion The results indicated that the SynI(f) was meaningful for studying the frequency-spatial feature of EEG synchronization change among brain locations related to cognitive activities.
, 百拇医药
Key words:EEG synchronization index spectrum;coherence;selective attention;cognitive activity
由头皮上记录的脑电信号源于大脑皮层下大量神经网络的活动。在脑电的分析中，相干分析日益得到重视[1～4]。脑电相干是各种频率的脑电活动在不同脑区之间同步性的度量。也就是说，它要回答如下问题：由不同脑区记录的同一频率的脑电信号是相互独立的还是存在某种同步关系？如果存在一定的同步关系，则同步程度和相位关系如何？再进一步，这些相干特点与脑的状态有何关系？就脑电的频率、强度、时间和空间四种特性来看，脑电相干研究的是脑电活动在一定时间维度内的空间同步关系。鉴于脑是一个由上千亿个神经元组成的极为复杂而有序的巨系统，在皮层下结构与大脑皮层之间，以及皮层的各部分之间均存在着交互联系，形成多层次的特异性通路和分布广泛的非特异性网络。这种复杂的空间关系及其在认知活动中的动态变化必然会通过脑电活动反映出来。因此，脑电的相干分析对于从整体上、功能上揭示这些空间关系及加深对脑电功能意义的理解无疑是一个重要的手段。
, 百拇医药
Tatcher等[5]通过对脑电相干幅值和相位在不同脑区分布关系的分析，认为存在两个相干源，一个是局部的，具有弥散性，另一个则是通过长神经纤维构成的反馈回路。 Show等[6]发现在进行空间想象任务时具有较高操作能力的被试者其左右脑间的相干幅值增大，而多数左利手者则下降。Petsche和Rappelsberger[7] 报道在聆听音乐或语言信息时，左右脑及二者之间的相干变化表现出一定的空间-频率特点，且与智力素质有关。Bullock等[8]用慢性植入的脑内电极发现二个邻近电极间的脑电相干是随机波动的，提示神经网络之间的联系是动态多变的。
在脑电相干的计算中，为得到可靠的相干幅值结果，需要有足够大的自由度值[9]，因而要保证频率分辨率就须牺牲时间分辨率，反之亦然。而要了解各频率的相干动态就需有较高的频率和时间分辨率。目前采用的相干幅值计算方法无法得到较满意的事件关联同步性变化的信息。本研究组建立了一个具有1 s、1 Hz的分辨率的计算相干相位的方法，借以研究了各频率脑电活动相干相位的变化动态和分布规律，发现各相干对的相干相位均表现为遵从准正态分布的随机变量，其均值接近0。根据相干相位的上述分布特征，导出了脑电同步指数谱[SynI(f)]的计算方法，从而可以得出与选择反应作业中靶和非靶信号关联的SynI(f)的变化。
, 百拇医药
方 法
被试者和实验条件 被试者为25名健康大学生(23.2±2.1岁)，均为右利手。实验在隔音电屏蔽室内进行，被试者取卧位。
输入信号和作业任务 刺激信号为来自左右视场的红、绿闪光，亮度适中，由位于距中心3 cm处的双色发光二极管(LED)提供，每套含120个闪光，4种闪光(左绿、左红、右绿、右红)随机出现，概率相等，间隔在1.5～2.3 s范围内随机变化。视觉刺激装置放在被试者面前距眼约30cm的位置。
在如下二个条件下记录脑电反应：(1)仅要求被试者注视视场中心的弱光恒亮的黄色LED，对左右视场的闪光均不作反应(VC)；(2)与(1)同，但要求被试者对靶信号进行选择区分反应(DR)，即对左靶向左拨开关，右靶向右拨开关，取红或绿色闪光为靶，在被试者中交叉。开关为特制的带柄微动开关，力矩很小。
信号记录 记录9导脑电信号，其部位为10-10脑电电极系统[10]的F5、F6、C5、C6、P5、P6、Fz、Cz和Pz，以双乳突为参考，在左眼上下记录眼动信号，记录频带为0.05～100 Hz。EEG、EOG和代表4种闪光信号的事件脉冲皆以256/s的采样率数字化后存于光盘。
, 百拇医药
实验步骤 在固定好所有电极后让被试者熟悉实验室环境和实验步骤，然后进行视对照及选择区分反应条件下的记录。几天后重复一次。
脑电同步指数谱的计算
(1)相干相位的计算
设x(i)和y(i)，i=1,…,N分别为二个脑区的数字化的脑电信号，其自功谱分别为Sxx(k), Syy(k), k=1,…,M(Hz)。若二者之间存在一定的同步关系，则它们之间应有一个不为零的互功谱，即Sxy(k),k=1,…,M(Hz)。Sxy(k)为复数，由其实部Cxy(k)和虚部Qxy(k)即可计算出x和y的相干相位，即
Pxy(k)=360/2((arctg[Qxy(k)/Cxy(k)],k=1,…,M(Hz (1)
本文利用快速哈特莱变换[11]计算出x、y的变换系数Hx(k)和Hy(k)，k＝1，…，N，并由下式计算Qxy(k)和Cxy(k)：
, 百拇医药
Qxy(k)=Hx(k)Hy(N-k)+Hx(N-k)Hy(k) (2)
Cxy(k)=Hx(k)Hy(k)+Hx(N-k)Hy(N-k) (3)
为使由(1)式计算所得的相位值正确地落在-180°～+180°范围内，需根据Cxy(k)和Qxy(k)的符号进行如下变换：
Pxy(k)=Pxy(k)+180, 当Cxy(k)<0且Qxy(k)>0
Pxy(k)=Pxy(k)-180, 当Cxy(k)<0且Qxy(k)≤0
上述相位的计算方法，经过混有噪声的已知相位的模拟信号的验证，证明是可靠的。
(2)脑电同步指数的计算
, 百拇医药
脑电相干相位的准正态分布特征(图1)表明，不同脑区之间的各种频率脑电活动是随机同步的，因而相干相位可用来估计脑电的空间同步性。因此，下面将定义一个脑电同步指数，原理如下：假定在一定的时间内(如64 s)，得出二个脑区间的Nc个相干相位值，若此二脑区的电活动是完全独立的，即无同步关系，则所得的Nc个相干相位值应均匀地分布在-180°～+180°范围内的Md个区间内，其分布标准差为零；相反，若二者完全同步，则Nc个相位值只落在Md个区间中的某个区间内，因而具有最大的标准差；而实际上，脑电相干相位的分布标准差介于最大和最小之间，因此可以利用分布标准差来定义同步指数。
脑电同步指数的定义如下：
SynI(k,j)=Sc(k,j)/Smax, k=1,…,M(Hz) j=1,…,L(相干对) (4)
其中Sc(k,j)为实际计算得到的第j个相干对的第kHz的脑电相干相位的分布标准差，实际计算时可利用以下公式计算Sc(k,j)和Smax：
(5)
, 百拇医药
Smax=N2c(1-1/Md)1/2 (6)
式中ni为落在第i个区间的相位个数。
(3)事件关联同步指数的获得
在每个触发信号后取各记录部位的1s长的脑电信号。依式(1)～(3)分别计算有关相干对的相干相位谱，并求出相位值在-180°～+180°内9个相等区间的分布频数，将各类刺激信号的分布累加，依(4)～(6)式即可计算出事件关联的同步指数谱。
结 果
脑电相干相位的分布特征 与事件关联电位的情况类似，在每一种状态下均有多次事件刺激，因此可得到多个相干相位值。为了解这些相位值的分布特征，将-180°～+180°分为9个相等的区间即可得到每一状态、每一相干对、每一频率的相位在此9 个区间上的分布。图1示出10 Hz和40 Hz的分布直方图。可见，脑电相干相位呈现出准正态分布的特征，且均值接近于0。分布的峰度显然与相干对所覆盖的距离有关，距离近则峰高，如Fz-F5和Fz-F6的相干相位的分布峰高于F5-F6，中央和后脑区情况类似。此外，峰高还与脑区有关，额区的峰高大于后脑区。从图1 中还可看出10 Hz与40 Hz相干相位分布在不同相干对的差别，在额区10 Hz的分布峰值大于40 Hz，而在后脑区则相反，中央区介于中间。
, http://www.100md.com
同步指数谱的基本特征 作为对照的VC状态，其SynI谱具有代表性，与4种刺激信号(左红，左绿，右红和右绿)相应的SynI谱十分接近，但同步指数值明显受相干对所在脑区及脑电频率的影响。如图2所示，α频带的SynI在F5-F6高于其它频率，但在C5-C6及P5-P6则较低。表1 示出VC条件下9个相干对6个频带的SynI值，可以看出SynI具有如下的频率-空间特征：(1)在各相干对，高频段(>19Hz)的SynI均小于低频段(<7Hz)；(2)在额区，SynI的最大值出现在8～10 Hz，而在后脑区8～10 Hz的SynI反而偏低，最小值出现在11～18 Hz频带；(3)左右脑区之间的SynI比中线与两侧的低；(4)在额区和后脑区，中线与左脑的SynI低于右脑，在中央脑区则无左、右差别，图3更清楚地示出这一点。在进行选择反应时，SynI虽有变化，但并不改变上述基本频率-空间特征。方差分析结果表明，频带和相干对所在脑区位置对同步指数均有非常显著的影响，F(6频带)＝32.55(P<0.001)，F(6相干对)＝26.75(P<0.001)。由于F5-F6、C5-C6和P5-P6三个相干对距离较远，明显不同于其余6个，所以方差分析中没有包括进去。在6个频带中，SynI受相干对的位置的影响以8～10和11～18 Hz最为突出(F>45)，而26～40 Hz最小。
, http://www.100md.com
与选择反应关联的SynI变化 尽管在进行DR作业时同步指数谱仍保持上述的VC条件下的基本特征，但和VC的SynI(f)比，与DR的靶和非靶关联的SynI(f)却出现了具有一定频率-空间特点的变化(图4和图5)。比较图4和图5 可以看出如下特点：(1)与VC状态比，视觉靶和非靶信号均使SynI谱发生明显变化，但靶信号的效应更为明显；(2)在进行视觉DR时，SynI变化的主要方向是增大；(3)在脑区上，SynI的增大主要发生在中央和后脑区； (4)SynI在中央和后脑区的增强表现出明显不同的频率特点，在中央区突出地发生在7～23 Hz，而在后脑区则在1～4 Hz。
图1 10 Hz和40 Hz脑电相干相位在9个区间的分布直方图
Fig.1 Distribution of EEG synchronization phase
, 百拇医药
Dotted line=10 Hz, solid line=40 Hz, each bar covers a range of 400
表1 VC条件下9个频带的脑电同步指数(
±s)
Table 1 EEG synchronization indices in 9
frequency bands under VC condition (±s) coherence
pair
frequency(Hz)
, 百拇医药
1～3
4～7
8～10
11～18
19～25
26～40
F5-F6
0.38±0.06
0.36±0.06
0.40±0.06
0.36±0.04
0.31±0.05
, 百拇医药
0.31±0.07
C5-C6
0.41±0.06
0.35±0.06
0.32±0.07
0.27±0.05
0.27±0.06
0.30±0.08
P5-P6
0.38±0.08
0.31±0.07
0.27±0.05
, http://www.100md.com
0.25±0.05
0.27±0.06
0.31±0.08
Fz-F5
0.47±0.08
0.48±0.06
0.51±0.07
0.49±0.06
0.44±0.07
0.42±0.08
Fz-F6
0.52±0.08
, 百拇医药
0.52±0.07
0.57±0.08
0.54±0.07
0.47±0.06
0.44±0.07
Cz-C5
0.51±0.07
0.50±0.06
0.48±0.07
0.43±0.06
0.41±0.06
0.42±0.07
, 百拇医药
Cz-C6
0.50±0.06
0.49±0.06
0.48±0.05
0.42±0.06
0.41±0.05
0.42±0.07
Pz-P5
0.45±0.08
0.45±0.08
0.41±0.08
0.38±0.07
, 百拇医药
0.39±0.07
0.41±0.08
Pz-P6
0.50±0.06
0.48±0.07
0.45±0.06
0.42±0.05
0.43±0.05
0.44±0.07
图2 VC及DR条件下左、右脑之间各相干对的平均脑电同步指数谱
, 百拇医药
Fig.2 EEG synchronization index spectra of coherence pairs between left and right brains under VC and DR conditions
vertical lines indicate P<0.05
图3 脑中线与左、右两侧的同步指数的平均差(左侧减右侧)
Fig.3 Mean difference of EEG synchronization index between midline with left or right side of the brain
vertical lines indicate P<0.05
, 百拇医药
图4 选择区分反应作业中靶信号所引起的同步指数谱的变化
Fig.4 Change of EEG synchronization index evoked by target signals during selective differential response task
Difference from the corresponding values under VC，the meaning of vertical lines are as same as in Fig.2
图5 选择区分反应作业中非靶信号所引起的同步指数谱的变化
Fig.5 Change of EEG synchronization index evoked by non-target signals during selective differential response task
, 百拇医药
Difference from the corresponding values under VC，the meaning of vertical lines are as same as in Fig.2
讨 论
脑电同步的随机性特征 本研究借助具有较高时间和频率分辨率的相干相位计算方法得出了与视觉信号关联的各频率的脑电相干相位的分布特征(0均值、准正态分布)，此结果与本组在听觉条件下实验所得的结果一致。如果将相干对之一的脑电信号的顺序随机打乱后，则相干相位分布的准正态性消失而变为等概率分布。这种分布特征以及其分布峰值与相干对覆盖距离成反比的事实对于了解脑电的同步特征有重要启示，即应当从脑神经网络这一巨系统的角度来考虑脑电活动，也即由头皮上记录的脑电活动不是局部现象，而是广泛地存在于网络系统的各个部分，各部分之间通过局部的和长距离的神经纤维形成复杂的耦联，因此各频率的脑电活动(尽管可能有其最初的源)在整个网络系统中存在着基本的同步关系，彼此间的相位差的统计均值在0附近，但在这样一个十分复杂的系统中，影响同步的因素很多，因而同步又表现出随机性。在对相干相位序列变化动态的研究中，我们发现，相位值的变化是随机的，无明显的主频率成分，且不同频率及不同方向的相干对之间的相位波动呈现出相对独立性。这一结果与Bullock等用脑内电极所发现的一致，但在他们的结果中频率之间具有较高的相关性[8]。这些事实表明，各频率的脑电活动在不同脑区之间的同步关系无论在时间上还是在不同的空间方位上都是随机的，也就是说，尽管在清醒条件下不存在全脑的谐振现象，但在统计上却又呈现出同步的特征。
, http://www.100md.com
同步指数谱及其事件关联性变化 一个刺激事件特别是能引起心理活动的事件必然会在脑的网络系统中激起广泛的反应，这种反应强度可通过事件关联功谱变化及事件关联电位反映出来，而网络系统不同部分之间的协同或同步关系的反应变化亦是了解脑神经网络系统反应特性的重要方面，它可以帮助我们进一步了解脑的结构与功能的关系，以及不同频率脑电活动的功能意义。因此，本研究得出的脑电同步指数谱在脑功能的研究和评价方面均有应用价值，由于其时间分辨率较高，可以进行事件关联分析，这是比相干幅谱优越的地方。
本文中在进行视觉选择区分反应作业时，左、右脑间同步指数增大的结果与文献中最近的一些报道一致[1～4]，也与本研究组在听觉选择反应条件下的结果一致，说明在进行认知活动时左右脑之间的协同性增强，而这种协同性变化的程度和频率特征在不同脑区有不同的表现。与VC状态比，额区的同步指数无明显变化，而后脑区在1～4 Hz、中央脑区在7～23 Hz范围内SynI显著增大。在听觉选择反应作业中，与安静状态比，额区活动的同步指数显著增大。本文中额区SynI无变化的原因可能有三：其一是与VC比，而VC状态有对闪光信号的感知过程， 这在ERPs中可以明显看出，如是，则说明额区的反应主要与对信号的感知有关; 其二是视觉刺激不同于听觉刺激; 其三则可能是存在一个与同步加强相反的脱同步过程，从而使外表上看不出来，但这一可能不会很大。后脑区的低频活动同步性加强可能与选择反应时与靶信号关联的以P300为主的正慢电位有关[12]，如是，本文的结果进一步表明这种正慢电位是在顶区范围内的同步活动。中央脑区在7～23 Hz的同步性增强现象很有意义，这在ERPs中很难观察出来，在听觉选择反应的事件关联功谱变化的研究中[13]，虽然发现在刺激信号后的第2个0.5 s 11～18 Hz活动显著增强，但额区增强的程度大于中央区，因此中央区SynI的变化提供了一个值得注意的新的信息。
, http://www.100md.com
与靶信号关联的SynI的变化显著大于非靶的结果进一步表明了同步指数变化与认知过程的关系，因为在靶和非靶信号之后都存在对信号的感知、分析、判断和决策过程，所不同的只是决策的结果及决策后的反应过程。就是这些差别却可在SynI的变化中反映出来，与靶信号比，在非靶信号的SynI谱中后脑区的1～4 Hz增强的现象基本消失，中央区活动的SynI的增强显著变弱。目前尚不知此二脑区的上述变化是协变关系还是因果关系，需作进一步的实验观察。 总之，本研究的结果表明，利用事件关联同步指数谱可以揭示出脑进行认知活动时不同脑区的脑电同步状态变化的频率特征，为理解脑的反应特性提供了新的信息，它与脑电功谱及事件关联电位不同但有一定联系，反映了脑神经网络系统活动的不同侧面。
(致谢：实验中，萧锋、陈文娟和段然的大力协助， 特此感谢。)
[参考文献]
[1] Weiss S,Rappelsberger P.EEG coherence within the 13～18 Hz band as a correlate of a distinct lexical organization of concrete and abstract nouns in humans[J].Neurosci Lett，1996,209:17～20
, http://www.100md.com
[2] Leocani L,Toro C,Manganotti P et al.Event related coherence and event-related desynchronization/synchronization in the 10 Hz and 20 Hz EEG during self paced movements[J].Electroenceph clin Neurophysiol,1997,104: 199～206
[3] Duffy FH,Mcnulty GB，Albert MS.Effect of age upon interhemispheric EEG coherence in normal adults,Neurobiol[J].Aging,1996,17: 587～599
[4] WEI Jinhe,YAN Gongdong,ZHAO Lun et al.EEG coherence change during selective response and selective mental arithmetic[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(5)：318～323
, 百拇医药
魏金河，赵 仑，段 然等.选择反应和选择心算时脑电相干谱的反应特点[J].航天医学与医学工程，1998,11(5)：318～323
[5] Shaw JC,O'Connor KPO,Ongley C.The EEG as a measure of cerebral functional organization[J].Brit J Psychiat,1977,130: 260～264
[6] Thatcher RW,Kraus PJ，Hrybyk M.Cortico- cortical associations and EEG coherence:A two compartmental model[J].Electroenceph clin Neurophysiol.1986,64:123～143
[7] Petche H,Rappelsberger P.Is there any message hidden in the human EEG? In:Basar E and Nelson PL.Induced Rhythm in the Brain[M].Birkhauser,Boston,1992:103～116
, http://www.100md.com
[8] Bullock TH,McClune MC,Achimowicz JZ et al.Temporal fluctuations in coherence of brain waves[J].Proc Nalt Acad Sci USA,1995,92: 11568～11572
[9] Otnes RK,Enochson L.Apllied Time Series Analysis: Vol.1: Basic Techniques[M].New York: John Wiley and Sons.1978
[10] Chatrian GE,Lettich E,Nelson PL.Improved nomenclature for the “10%" electrode system[J].Am J EEG Technol,1988,28:161～163
[11] Bracewell RN.The fast Hartley transfom[C].Proc IEEE.1984,72: 1010～1018
, 百拇医药
[12] Wei J,Zhao L,Yan G et al.The temporal and spatial features of event-related EEG spectral changes in 4 mental conditions[J].Electroenceph clin Neurophysiol,1998,106:1～8
[13] WEI Jinhe,ZHAO Lun,YAN Gongdong et al.Temporal and spatial feature of slow positive potentials related to visual attention during head-down tilt[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(3):157～161
魏金河，赵 伦，严拱栋等.头低位倾斜条件下与视觉选择反应关联的心慢电位变化的时间空间特特症[J].
收稿日期：1999-06-23, http://www.100md.com
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：脑电同步指数谱；相干；选择注意； 认知活动
航天医学与医学工程000204摘要： 目的 脑电相干幅谱是目前用来研究脑电同步性变化的主要指标，但由于计算中可靠性的要求，不可能同时具备较高的时间和频率分辨率，因此其应用价值受限，特别是难以进行事件关联性观察。为此,本文报道一个可以克服上述局限的新方法。 方法 1.利用快速哈特莱变换和建立的算法得出具有1 s和1 Hz分辨率的相干相位。2. 对相干相位值序列的动态变化和分布特征进行分析。3. 根据相干相位的分布特征提出了脑电同步指数谱SynI(f)的概念和计算方法。利用此方法，计算了25名正常青年被试者在对视觉信号进行选择区分反应作业中的事件关联脑电同步指数谱。 结果 (1) 左右脑区之间的脑电同步指数谱表现出一定的脑区-频率特征，在额区α活动的SynI高于其它频率，但在后脑区则相反；(2) 除中央脑区外，额区和后脑区的中线与左右两侧的SynI有不大但统计上显著的差别，且都是右侧大于左侧； (3) 与VC比, DR作业中靶信号在中央脑区和后脑区引起SynI显著增大，但在中央脑区主要发生在7～23 Hz，而在后脑区则在1～4 Hz，额区无明显变化；对非靶信号的反应在程度上明显小于靶信号，特别是后脑区的1～4 Hz活动。 结论 本文报道的脑电同步指数谱可以从一个新的侧面揭示出脑在进行认知活动中的空间-频率反应特性。
, http://www.100md.com
中图分类号：R741.044；R338.3 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0095-06
EEG Synchronization Index Spectrum: Definition, Calculation and The Changes related to Visual Selective Response
WEI Jin-he，ZHAO Lun，REN Wei，YAN Gong-dong，LI Da-chen，YANG Ming-hao.
Abstract: Objective EEG synchronization is usually estimated in terms of coherence amplitude, but the estimation is with apparent uncertainty because of the poor resolution both in time and frequency. The purpose of this work is to surmount this problem. Method A new definition of EEG synchronization index spectrum[SynI(f)] was developed basing on the distribution characteristics of EEG coherence phase which was calculated by a tested algorithm with 1 s and 1 Hz resolution. The basic feature and its changes during visual selective responses were calculated in 25 normal subjects. EEG signals were recorded from 9 locations in two conditions: looking at the central LED only(VC) and making switch response to the target LED flash signals(T) differentially(DR): switch to left or right for Ts from left(LVF) or right (RVF) visual field, repectively but making no response to the non-target ones(NT). Result (1) The frequency depedency of SynI varied with brain location, e.g., SynI was higher in alpha range than others at frontal locations but the situation reversed at posterior locations.(2) The SynIs between midline and right brain locations were higher than that between mid line and left ones.(3) As compared with VC, SynI was increased in DR condition at central and posterior brain locations but not frontal ones, it happened mainly in 7～23 Hz at central locations but in 1～4 Hz at posterior ones.(4) The augmentation of SynI in DR was greater for T than for NT signals. Conclusion The results indicated that the SynI(f) was meaningful for studying the frequency-spatial feature of EEG synchronization change among brain locations related to cognitive activities.
, 百拇医药
Key words:EEG synchronization index spectrum;coherence;selective attention;cognitive activity
由头皮上记录的脑电信号源于大脑皮层下大量神经网络的活动。在脑电的分析中，相干分析日益得到重视[1～4]。脑电相干是各种频率的脑电活动在不同脑区之间同步性的度量。也就是说，它要回答如下问题：由不同脑区记录的同一频率的脑电信号是相互独立的还是存在某种同步关系？如果存在一定的同步关系，则同步程度和相位关系如何？再进一步，这些相干特点与脑的状态有何关系？就脑电的频率、强度、时间和空间四种特性来看，脑电相干研究的是脑电活动在一定时间维度内的空间同步关系。鉴于脑是一个由上千亿个神经元组成的极为复杂而有序的巨系统，在皮层下结构与大脑皮层之间，以及皮层的各部分之间均存在着交互联系，形成多层次的特异性通路和分布广泛的非特异性网络。这种复杂的空间关系及其在认知活动中的动态变化必然会通过脑电活动反映出来。因此，脑电的相干分析对于从整体上、功能上揭示这些空间关系及加深对脑电功能意义的理解无疑是一个重要的手段。
, 百拇医药
Tatcher等[5]通过对脑电相干幅值和相位在不同脑区分布关系的分析，认为存在两个相干源，一个是局部的，具有弥散性，另一个则是通过长神经纤维构成的反馈回路。 Show等[6]发现在进行空间想象任务时具有较高操作能力的被试者其左右脑间的相干幅值增大，而多数左利手者则下降。Petsche和Rappelsberger[7] 报道在聆听音乐或语言信息时，左右脑及二者之间的相干变化表现出一定的空间-频率特点，且与智力素质有关。Bullock等[8]用慢性植入的脑内电极发现二个邻近电极间的脑电相干是随机波动的，提示神经网络之间的联系是动态多变的。
在脑电相干的计算中，为得到可靠的相干幅值结果，需要有足够大的自由度值[9]，因而要保证频率分辨率就须牺牲时间分辨率，反之亦然。而要了解各频率的相干动态就需有较高的频率和时间分辨率。目前采用的相干幅值计算方法无法得到较满意的事件关联同步性变化的信息。本研究组建立了一个具有1 s、1 Hz的分辨率的计算相干相位的方法，借以研究了各频率脑电活动相干相位的变化动态和分布规律，发现各相干对的相干相位均表现为遵从准正态分布的随机变量，其均值接近0。根据相干相位的上述分布特征，导出了脑电同步指数谱[SynI(f)]的计算方法，从而可以得出与选择反应作业中靶和非靶信号关联的SynI(f)的变化。
, 百拇医药
方 法
被试者和实验条件 被试者为25名健康大学生(23.2±2.1岁)，均为右利手。实验在隔音电屏蔽室内进行，被试者取卧位。
输入信号和作业任务 刺激信号为来自左右视场的红、绿闪光，亮度适中，由位于距中心3 cm处的双色发光二极管(LED)提供，每套含120个闪光，4种闪光(左绿、左红、右绿、右红)随机出现，概率相等，间隔在1.5～2.3 s范围内随机变化。视觉刺激装置放在被试者面前距眼约30cm的位置。
在如下二个条件下记录脑电反应：(1)仅要求被试者注视视场中心的弱光恒亮的黄色LED，对左右视场的闪光均不作反应(VC)；(2)与(1)同，但要求被试者对靶信号进行选择区分反应(DR)，即对左靶向左拨开关，右靶向右拨开关，取红或绿色闪光为靶，在被试者中交叉。开关为特制的带柄微动开关，力矩很小。
信号记录 记录9导脑电信号，其部位为10-10脑电电极系统[10]的F5、F6、C5、C6、P5、P6、Fz、Cz和Pz，以双乳突为参考，在左眼上下记录眼动信号，记录频带为0.05～100 Hz。EEG、EOG和代表4种闪光信号的事件脉冲皆以256/s的采样率数字化后存于光盘。
, 百拇医药
实验步骤 在固定好所有电极后让被试者熟悉实验室环境和实验步骤，然后进行视对照及选择区分反应条件下的记录。几天后重复一次。
脑电同步指数谱的计算
(1)相干相位的计算
设x(i)和y(i)，i=1,…,N分别为二个脑区的数字化的脑电信号，其自功谱分别为Sxx(k), Syy(k), k=1,…,M(Hz)。若二者之间存在一定的同步关系，则它们之间应有一个不为零的互功谱，即Sxy(k),k=1,…,M(Hz)。Sxy(k)为复数，由其实部Cxy(k)和虚部Qxy(k)即可计算出x和y的相干相位，即
Pxy(k)=360/2((arctg[Qxy(k)/Cxy(k)],k=1,…,M(Hz (1)
本文利用快速哈特莱变换[11]计算出x、y的变换系数Hx(k)和Hy(k)，k＝1，…，N，并由下式计算Qxy(k)和Cxy(k)：
, 百拇医药
Qxy(k)=Hx(k)Hy(N-k)+Hx(N-k)Hy(k) (2)
Cxy(k)=Hx(k)Hy(k)+Hx(N-k)Hy(N-k) (3)
为使由(1)式计算所得的相位值正确地落在-180°～+180°范围内，需根据Cxy(k)和Qxy(k)的符号进行如下变换：
Pxy(k)=Pxy(k)+180, 当Cxy(k)<0且Qxy(k)>0
Pxy(k)=Pxy(k)-180, 当Cxy(k)<0且Qxy(k)≤0
上述相位的计算方法，经过混有噪声的已知相位的模拟信号的验证，证明是可靠的。
(2)脑电同步指数的计算
, 百拇医药
脑电相干相位的准正态分布特征(图1)表明，不同脑区之间的各种频率脑电活动是随机同步的，因而相干相位可用来估计脑电的空间同步性。因此，下面将定义一个脑电同步指数，原理如下：假定在一定的时间内(如64 s)，得出二个脑区间的Nc个相干相位值，若此二脑区的电活动是完全独立的，即无同步关系，则所得的Nc个相干相位值应均匀地分布在-180°～+180°范围内的Md个区间内，其分布标准差为零；相反，若二者完全同步，则Nc个相位值只落在Md个区间中的某个区间内，因而具有最大的标准差；而实际上，脑电相干相位的分布标准差介于最大和最小之间，因此可以利用分布标准差来定义同步指数。
脑电同步指数的定义如下：
SynI(k,j)=Sc(k,j)/Smax, k=1,…,M(Hz) j=1,…,L(相干对) (4)
其中Sc(k,j)为实际计算得到的第j个相干对的第kHz的脑电相干相位的分布标准差，实际计算时可利用以下公式计算Sc(k,j)和Smax：
(5), 百拇医药
Smax=N2c(1-1/Md)1/2 (6)
式中ni为落在第i个区间的相位个数。
(3)事件关联同步指数的获得
在每个触发信号后取各记录部位的1s长的脑电信号。依式(1)～(3)分别计算有关相干对的相干相位谱，并求出相位值在-180°～+180°内9个相等区间的分布频数，将各类刺激信号的分布累加，依(4)～(6)式即可计算出事件关联的同步指数谱。
结 果
脑电相干相位的分布特征 与事件关联电位的情况类似，在每一种状态下均有多次事件刺激，因此可得到多个相干相位值。为了解这些相位值的分布特征，将-180°～+180°分为9个相等的区间即可得到每一状态、每一相干对、每一频率的相位在此9 个区间上的分布。图1示出10 Hz和40 Hz的分布直方图。可见，脑电相干相位呈现出准正态分布的特征，且均值接近于0。分布的峰度显然与相干对所覆盖的距离有关，距离近则峰高，如Fz-F5和Fz-F6的相干相位的分布峰高于F5-F6，中央和后脑区情况类似。此外，峰高还与脑区有关，额区的峰高大于后脑区。从图1 中还可看出10 Hz与40 Hz相干相位分布在不同相干对的差别，在额区10 Hz的分布峰值大于40 Hz，而在后脑区则相反，中央区介于中间。
, http://www.100md.com
同步指数谱的基本特征 作为对照的VC状态，其SynI谱具有代表性，与4种刺激信号(左红，左绿，右红和右绿)相应的SynI谱十分接近，但同步指数值明显受相干对所在脑区及脑电频率的影响。如图2所示，α频带的SynI在F5-F6高于其它频率，但在C5-C6及P5-P6则较低。表1 示出VC条件下9个相干对6个频带的SynI值，可以看出SynI具有如下的频率-空间特征：(1)在各相干对，高频段(>19Hz)的SynI均小于低频段(<7Hz)；(2)在额区，SynI的最大值出现在8～10 Hz，而在后脑区8～10 Hz的SynI反而偏低，最小值出现在11～18 Hz频带；(3)左右脑区之间的SynI比中线与两侧的低；(4)在额区和后脑区，中线与左脑的SynI低于右脑，在中央脑区则无左、右差别，图3更清楚地示出这一点。在进行选择反应时，SynI虽有变化，但并不改变上述基本频率-空间特征。方差分析结果表明，频带和相干对所在脑区位置对同步指数均有非常显著的影响，F(6频带)＝32.55(P<0.001)，F(6相干对)＝26.75(P<0.001)。由于F5-F6、C5-C6和P5-P6三个相干对距离较远，明显不同于其余6个，所以方差分析中没有包括进去。在6个频带中，SynI受相干对的位置的影响以8～10和11～18 Hz最为突出(F>45)，而26～40 Hz最小。
, http://www.100md.com
与选择反应关联的SynI变化 尽管在进行DR作业时同步指数谱仍保持上述的VC条件下的基本特征，但和VC的SynI(f)比，与DR的靶和非靶关联的SynI(f)却出现了具有一定频率-空间特点的变化(图4和图5)。比较图4和图5 可以看出如下特点：(1)与VC状态比，视觉靶和非靶信号均使SynI谱发生明显变化，但靶信号的效应更为明显；(2)在进行视觉DR时，SynI变化的主要方向是增大；(3)在脑区上，SynI的增大主要发生在中央和后脑区； (4)SynI在中央和后脑区的增强表现出明显不同的频率特点，在中央区突出地发生在7～23 Hz，而在后脑区则在1～4 Hz。
图1 10 Hz和40 Hz脑电相干相位在9个区间的分布直方图
Fig.1 Distribution of EEG synchronization phase
, 百拇医药
Dotted line=10 Hz, solid line=40 Hz, each bar covers a range of 400
表1 VC条件下9个频带的脑电同步指数(
±s)Table 1 EEG synchronization indices in 9
frequency bands under VC condition (
±s) coherencepair
frequency(Hz)
, 百拇医药
1～3
4～7
8～10
11～18
19～25
26～40
F5-F6
0.38±0.06
0.36±0.06
0.40±0.06
0.36±0.04
0.31±0.05
, 百拇医药
0.31±0.07
C5-C6
0.41±0.06
0.35±0.06
0.32±0.07
0.27±0.05
0.27±0.06
0.30±0.08
P5-P6
0.38±0.08
0.31±0.07
0.27±0.05
, http://www.100md.com
0.25±0.05
0.27±0.06
0.31±0.08
Fz-F5
0.47±0.08
0.48±0.06
0.51±0.07
0.49±0.06
0.44±0.07
0.42±0.08
Fz-F6
0.52±0.08
, 百拇医药
0.52±0.07
0.57±0.08
0.54±0.07
0.47±0.06
0.44±0.07
Cz-C5
0.51±0.07
0.50±0.06
0.48±0.07
0.43±0.06
0.41±0.06
0.42±0.07
, 百拇医药
Cz-C6
0.50±0.06
0.49±0.06
0.48±0.05
0.42±0.06
0.41±0.05
0.42±0.07
Pz-P5
0.45±0.08
0.45±0.08
0.41±0.08
0.38±0.07
, 百拇医药
0.39±0.07
0.41±0.08
Pz-P6
0.50±0.06
0.48±0.07
0.45±0.06
0.42±0.05
0.43±0.05
0.44±0.07
图2 VC及DR条件下左、右脑之间各相干对的平均脑电同步指数谱
, 百拇医药
Fig.2 EEG synchronization index spectra of coherence pairs between left and right brains under VC and DR conditions
vertical lines indicate P<0.05
图3 脑中线与左、右两侧的同步指数的平均差(左侧减右侧)
Fig.3 Mean difference of EEG synchronization index between midline with left or right side of the brain
vertical lines indicate P<0.05
, 百拇医药
图4 选择区分反应作业中靶信号所引起的同步指数谱的变化
Fig.4 Change of EEG synchronization index evoked by target signals during selective differential response task
Difference from the corresponding values under VC，the meaning of vertical lines are as same as in Fig.2
图5 选择区分反应作业中非靶信号所引起的同步指数谱的变化
Fig.5 Change of EEG synchronization index evoked by non-target signals during selective differential response task
, 百拇医药
Difference from the corresponding values under VC，the meaning of vertical lines are as same as in Fig.2
讨 论
脑电同步的随机性特征 本研究借助具有较高时间和频率分辨率的相干相位计算方法得出了与视觉信号关联的各频率的脑电相干相位的分布特征(0均值、准正态分布)，此结果与本组在听觉条件下实验所得的结果一致。如果将相干对之一的脑电信号的顺序随机打乱后，则相干相位分布的准正态性消失而变为等概率分布。这种分布特征以及其分布峰值与相干对覆盖距离成反比的事实对于了解脑电的同步特征有重要启示，即应当从脑神经网络这一巨系统的角度来考虑脑电活动，也即由头皮上记录的脑电活动不是局部现象，而是广泛地存在于网络系统的各个部分，各部分之间通过局部的和长距离的神经纤维形成复杂的耦联，因此各频率的脑电活动(尽管可能有其最初的源)在整个网络系统中存在着基本的同步关系，彼此间的相位差的统计均值在0附近，但在这样一个十分复杂的系统中，影响同步的因素很多，因而同步又表现出随机性。在对相干相位序列变化动态的研究中，我们发现，相位值的变化是随机的，无明显的主频率成分，且不同频率及不同方向的相干对之间的相位波动呈现出相对独立性。这一结果与Bullock等用脑内电极所发现的一致，但在他们的结果中频率之间具有较高的相关性[8]。这些事实表明，各频率的脑电活动在不同脑区之间的同步关系无论在时间上还是在不同的空间方位上都是随机的，也就是说，尽管在清醒条件下不存在全脑的谐振现象，但在统计上却又呈现出同步的特征。
, http://www.100md.com
同步指数谱及其事件关联性变化 一个刺激事件特别是能引起心理活动的事件必然会在脑的网络系统中激起广泛的反应，这种反应强度可通过事件关联功谱变化及事件关联电位反映出来，而网络系统不同部分之间的协同或同步关系的反应变化亦是了解脑神经网络系统反应特性的重要方面，它可以帮助我们进一步了解脑的结构与功能的关系，以及不同频率脑电活动的功能意义。因此，本研究得出的脑电同步指数谱在脑功能的研究和评价方面均有应用价值，由于其时间分辨率较高，可以进行事件关联分析，这是比相干幅谱优越的地方。
本文中在进行视觉选择区分反应作业时，左、右脑间同步指数增大的结果与文献中最近的一些报道一致[1～4]，也与本研究组在听觉选择反应条件下的结果一致，说明在进行认知活动时左右脑之间的协同性增强，而这种协同性变化的程度和频率特征在不同脑区有不同的表现。与VC状态比，额区的同步指数无明显变化，而后脑区在1～4 Hz、中央脑区在7～23 Hz范围内SynI显著增大。在听觉选择反应作业中，与安静状态比，额区活动的同步指数显著增大。本文中额区SynI无变化的原因可能有三：其一是与VC比，而VC状态有对闪光信号的感知过程， 这在ERPs中可以明显看出，如是，则说明额区的反应主要与对信号的感知有关; 其二是视觉刺激不同于听觉刺激; 其三则可能是存在一个与同步加强相反的脱同步过程，从而使外表上看不出来，但这一可能不会很大。后脑区的低频活动同步性加强可能与选择反应时与靶信号关联的以P300为主的正慢电位有关[12]，如是，本文的结果进一步表明这种正慢电位是在顶区范围内的同步活动。中央脑区在7～23 Hz的同步性增强现象很有意义，这在ERPs中很难观察出来，在听觉选择反应的事件关联功谱变化的研究中[13]，虽然发现在刺激信号后的第2个0.5 s 11～18 Hz活动显著增强，但额区增强的程度大于中央区，因此中央区SynI的变化提供了一个值得注意的新的信息。
, http://www.100md.com
与靶信号关联的SynI的变化显著大于非靶的结果进一步表明了同步指数变化与认知过程的关系，因为在靶和非靶信号之后都存在对信号的感知、分析、判断和决策过程，所不同的只是决策的结果及决策后的反应过程。就是这些差别却可在SynI的变化中反映出来，与靶信号比，在非靶信号的SynI谱中后脑区的1～4 Hz增强的现象基本消失，中央区活动的SynI的增强显著变弱。目前尚不知此二脑区的上述变化是协变关系还是因果关系，需作进一步的实验观察。 总之，本研究的结果表明，利用事件关联同步指数谱可以揭示出脑进行认知活动时不同脑区的脑电同步状态变化的频率特征，为理解脑的反应特性提供了新的信息，它与脑电功谱及事件关联电位不同但有一定联系，反映了脑神经网络系统活动的不同侧面。
(致谢：实验中，萧锋、陈文娟和段然的大力协助， 特此感谢。)
[参考文献]
[1] Weiss S,Rappelsberger P.EEG coherence within the 13～18 Hz band as a correlate of a distinct lexical organization of concrete and abstract nouns in humans[J].Neurosci Lett，1996,209:17～20
, http://www.100md.com
[2] Leocani L,Toro C,Manganotti P et al.Event related coherence and event-related desynchronization/synchronization in the 10 Hz and 20 Hz EEG during self paced movements[J].Electroenceph clin Neurophysiol,1997,104: 199～206
[3] Duffy FH,Mcnulty GB，Albert MS.Effect of age upon interhemispheric EEG coherence in normal adults,Neurobiol[J].Aging,1996,17: 587～599
[4] WEI Jinhe,YAN Gongdong,ZHAO Lun et al.EEG coherence change during selective response and selective mental arithmetic[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(5)：318～323
, 百拇医药
魏金河，赵 仑，段 然等.选择反应和选择心算时脑电相干谱的反应特点[J].航天医学与医学工程，1998,11(5)：318～323
[5] Shaw JC,O'Connor KPO,Ongley C.The EEG as a measure of cerebral functional organization[J].Brit J Psychiat,1977,130: 260～264
[6] Thatcher RW,Kraus PJ，Hrybyk M.Cortico- cortical associations and EEG coherence:A two compartmental model[J].Electroenceph clin Neurophysiol.1986,64:123～143
[7] Petche H,Rappelsberger P.Is there any message hidden in the human EEG? In:Basar E and Nelson PL.Induced Rhythm in the Brain[M].Birkhauser,Boston,1992:103～116
, http://www.100md.com
[8] Bullock TH,McClune MC,Achimowicz JZ et al.Temporal fluctuations in coherence of brain waves[J].Proc Nalt Acad Sci USA,1995,92: 11568～11572
[9] Otnes RK,Enochson L.Apllied Time Series Analysis: Vol.1: Basic Techniques[M].New York: John Wiley and Sons.1978
[10] Chatrian GE,Lettich E,Nelson PL.Improved nomenclature for the “10%" electrode system[J].Am J EEG Technol,1988,28:161～163
[11] Bracewell RN.The fast Hartley transfom[C].Proc IEEE.1984,72: 1010～1018
, 百拇医药
[12] Wei J,Zhao L,Yan G et al.The temporal and spatial features of event-related EEG spectral changes in 4 mental conditions[J].Electroenceph clin Neurophysiol,1998,106:1～8
[13] WEI Jinhe,ZHAO Lun,YAN Gongdong et al.Temporal and spatial feature of slow positive potentials related to visual attention during head-down tilt[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998,11(3):157～161
魏金河，赵 伦，严拱栋等.头低位倾斜条件下与视觉选择反应关联的心慢电位变化的时间空间特特症[J].
收稿日期：1999-06-23, http://www.100md.com