闭眼与开眼静息状态下脑电α波的差异研究

李 凌，张金香

(电子科技大学神经信息教育部重点实验室 成都 610054)

闭眼与开眼静息状态下脑电α波的差异研究

李 凌，张金香

(电子科技大学神经信息教育部重点实验室 成都 610054)

利用128导脑电仪采集了11个健康被试者的闭眼与开眼静息状态下的高分辨率脑电信号，对闭眼与开眼情况下α波(8～13 Hz)功率的差异进行了分析。计算两种情况下全脑脑电信号的平均功率，统计检验了两者的全脑平均功率；应用标准低分辨率电磁断层成像方法对头皮功率值进行定位，利用t检验得到两种情况下具有显著性差异的α波功率在大脑中的位置。结果表明，闭眼情况下α波功率显著高于开眼，具有显著性差异的大脑位置包括额叶、顶叶和枕叶等区域。

α波; 脑电图; 闭眼; 开眼; 静息状态; 标准低分辨率电磁断层成像方法; 统计检验

在人的头皮表面，可以记录到自发脑电图(electroencephalography，EEG)，大多数健康成年人的脑电以α波(8～13 Hz)为主，在无任务清醒闭眼状态(即静息状态)时幅度最高，主要分布在顶枕区；而睁眼后幅度会有一定的降低[1-2]。一些早期的研究把认知功能、大脑疾病和α波的频率、幅度、功率的变化联系在一起[3-5]。文献[6]提出了α波反映注意需求，β波反映情感和认知处理的假设。文献[7]进一步提出低频α波(6～10 Hz)反映注意需求，而高频α波(10～12 Hz)反映对语义信息的处理。文献[8]利用脑磁图技术(magnetoencephalography，MEG)研究α波的功能，发现刺激前的α波功率和任务执行的成绩之间是负相关，与此任务相关的α波定位于顶-枕沟。

越来越多对闭眼静息状态的研究采用了同步记录脑电和功能核磁共振技术(EEG-fMRI)，发现α波功率与额-顶网络的激活程度成负相关[9-11]，而该额-顶网络是公认的注意处理网络，包括内侧顶叶沟(intraparietal sulcus，IPS)、额叶眼动区(fontal eye field，FEF)、中央前回腹侧(ventral precentral gyrus)、额中回(middle frontal gyrus)。因此，闭眼的α波振荡也被认为是维持非注意(inattention)状态的神经系统基线[9]。这些研究都表明α波可能是与许多认知功能有关，如注意、信息处理等，因此对α波的研究具有重要的意义。

本文在静息状态下，分别对清醒闭眼和开眼的脑电数据进行分析，计算了128导信号α波的平均功率，比较闭眼与开眼功率的全脑差异。然后运用标准低分辨率电磁断层成像方法(sLORETA)对α波的头皮功率进行大脑定位，进一步利用t检验得到闭眼与开眼两种情况下具有显著性差异的α波功率在大脑中的具体位置，以此探讨在闭眼与开眼状态下大脑活动的差异。

1 脑电数据采集和处理

被试者为11名健康在校大学生，其中包括5名女性，平均年龄为22岁，所有被试为右利手。实验包括两部分：(1)3 min的清醒闭眼脑电记录，要求被试者保持安静、闭眼、放松的状态坐在椅子上，尽量不移动头部，以减少头动和身体移动对脑电信号的影响；(2)3 min的清醒开眼脑电记录，距离被试者前面60 cm处有一显示器，屏幕背景为黑色，中央始终出现一个绿色十字，要求被试者注视十字，保持安静状态。

用128导EGI脑电采集系统进行数据记录，参考电极取头顶Cz，采样频率为500 Hz，头皮电阻小于5 kΩ，并同时记录水平眼电和垂直眼电。记录数据后进行离线(off-line)处理：31 Hz低通滤波；分段，每250个数据点作为一段(0.5 s数据)；去眨眼、头动等伪迹，剔除幅度绝对值大于100 µV的数据段；基线校准(每段数据的前200 ms数据作为基线)，并换算成平均参考。把所有被试者的原始数据经过上述预处理后，一共得到闭眼状态下的有效数据2 284段，开眼状态下的有效数据2 277段。

利用周期图法计算闭眼和开眼状态下每个被试者有效数据段的α波(8～13 Hz)的功率，再求各段功率的平均值，依此方法计算所有128导信号，最后得到每个被试者的头皮平均α功率地形图。利用头皮α功率地形图，计算闭眼和开眼状态下的全脑平均功率大小，并用单因子方差分析(analyses of variance，ANOVA)进行统计检验。

本文采用了sLORETA方法计算头皮α功率地形图的电流密度皮层三维分布[12]，该算法利用三层球头模型配准到Talairach人脑坐标图中，解的空间限制在皮层灰质和海马区域，总计6 430个像素，每个像素估计3个方向的偶极矩，空间分辨率为5 mm。sLORETA采用最小范数准则估计电流密度，根据局部最大的电流密度进行定位。定位结果进一步利用t检验方法得到闭眼与开眼两种情况下，α波功率具有显著性差异的大脑位置。

2 结 果

2.1 全脑平均功率结果

11名被试者在闭眼状态下，α波的全脑平均功率为1 003.28±381.09 µV2(表示平均值±标准差，mean±standard deviation，后面皆是统一的表达方式)，开眼状态下α波的全脑平均功率为262.31±125.55 µV2，功率柱状图及标准误差线如图1所示。用单因子方差法分析11个被试者闭眼和开眼状态下的全脑α功率的差异，发现闭眼状态的平均功率值显著大于开眼状态的功率值(p<10−5)，说明在开眼后α波受到阻断，幅度减小。

图1 闭眼和开眼状态下11个被试者的平均α波功率柱状图和标准误差线

2.2 sLORETA定位结果

本文利用sLORETA方法，分别对11名被试者头皮α功率地形图做定位分析，然后叠加得到定位的总平均结果。闭眼状态的成像结果如图2所示，图中Y、Z轴的单位为厘米。图2a显示大脑左半球中的最大电流密度的区域，Talairach坐标为[−35,−90,−20](单位为毫米)，位于枕叶，布洛德曼(Brodmann area)18区；图2b显示大脑右半球中的最大电流密度的区域，Talairach坐标为[35,−90,−20](单位为毫米)，位于枕叶，布洛德曼18区。

成像结果显示闭眼状态下，大脑主要的活跃区域位于左、右枕叶，图2中右枕叶的大脑活动比左枕叶活动强，但对大脑左、右半球的平均功率做统计检验时发现它们没有显著性差异(p>0.05)。

开眼状态的成像结果如图3所示，图中Y、Z轴的单位为厘米。图3a显示大脑左半球中的最大电流密度的区域，Talairach坐标为[−40,−80,−20](单位为毫米)，位于枕叶，布洛德曼(Brodmann area)19区；图3b显示大脑右半球中的最大电流密度的区域，Talairach坐标为[50,−60,−25](单位为毫米)，位于颞叶，布洛德曼37区。

图3显示开眼状态下大脑主要活动区域包括视觉初级皮层(BA,19区)和枕颞联合区(BA,37区)等，说明开眼后接收到外界的视觉信息的输入，大脑活动的区域与闭眼相比发生了变化。对大脑左、右半球的平均功率做统计检验时发现它们没有显著性差异(p>0.05)。

图2 闭眼状态下sLORETA成像示意图

图3 开眼状态下sLORETA成像示意图

2.3 闭眼与开眼状态的定位统计结果

本文利用t检验方法对11个被试者闭眼与开眼状态下求得的6 430个像素的电流密度值进行统计分析，得到具有显著性差异的大脑像素位置。表1列出了闭眼与开眼状态下大脑活动具有显著性差异的解剖位置(p<0.01)，包括Talairach坐标(X,Y,Z)、脑叶、解剖结构、大脑半球和布洛德曼区(BA)。表1显示闭眼状态下的α波活动显著比开眼状态下的强，两种状态具有显著性差异的大脑区域包括左、右额叶皮层(BA,32/6/8)，右顶叶皮层(BA,2/3)，右枕叶皮层(BA,19)。

表1 闭眼与开眼状态大脑活动具有显著性差异的解剖位置

表1中，montreal neurological institute (MNI)是规定的脑图像坐标模板。

3 结 束 语

本文在静息状态下，分别对被试者清醒闭眼和开眼的脑电数据进行了分析，发现闭眼状态下全脑α波的平均功率比开眼状态下强。用sLORETA方法对α波的头皮功率进行定位，发现在闭眼状态下主要的活动区域是左、右枕叶(18区)，而开眼状态下主要的活动区域包括枕叶(19区)和顶-颞联合区(37区)等区域，两种状态下的大脑活动具有一定的差异。进一步利用t检验方法得到闭眼与开眼两种情况下具有显著性差异的α波功率在大脑中的具体位置，探讨了闭眼与开眼状态下大脑活动的差异。

早期对闭眼和开眼差异的研究结果多集中在位于枕-顶叶的α波的幅度的变化，闭眼幅度大于开眼幅度。本文的结果显示额叶α波幅度也发生了显著性变化，在闭眼静息状态下α波在额叶、顶叶、枕叶这些脑区中可能存在一定的主动性活动，它们可能是用来有组织地维持大脑的静息状态；当被试的状态变为开眼静息时，随着视觉信息的输入，这些区域的活动减弱。

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编 辑 黄 莘

Study of the Alpha Wave Differences Between Eyes-Closed and Eyes-Open Resting States

LI Ling and ZHANG Jin-xiang

(Key Laboratory for NeuroInformation of Ministry of Education, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

High resolution electroencephalography (EEG)signals were collected in eleven healthy subjects to study differences of the alpha wave (8～13 Hz)between eyes-closed and eyes-open resting states. In these two states, the mean power of alpha wave over 128 channels was computed and analyzed. Furthermore, brain regions of the alpha power were localized using standardized low resolution electromagnetic tomography (sLORETA)analyses and the difference of the alpha power between the eyes-closed and the eyes-open states was tested by t test.Results show that the alpha wave power is obviously stronger in the eyes-closed state than in the eyes-open state with significant difference in frontal, parietal and occipital regions.

alpha wave; electroencephalography; eyes-closed; eyes-open; resting state;standardized low resolution electromagnetic tomography; statistical tests

R318.04; R853

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.03.028

2009- 09- 13;

2010- 03-11

国家自然科学基金(30800242)

李 凌(1975- )，女，博士，副教授，主要从事神经信息学、EEG/ERP的模型与方法等方面的研究.

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