抑郁症静息态EEG前后部脑电活动

廖智舟， 李川， 周军， 周海燕， 秦裕林，丰雷，冯媛

(1.北京工业大学 国际WIC研究院磁共振成像脑信息学北京市重点实验室, 北京 100124； 2.首都医科大学 附属北京安定医院,北京 100124)

目前在全世界范围有3.4亿抑郁症患者，在全世界十大疾病中，抑郁症排到第5位，预计到2020年，抑郁症将跃居到第2位[1]。抑郁症对人的劳动力的损害也日益得到重视。研究人员已从不同的角度，对抑郁症的鉴别、治疗、疗效评估等方面进行研究，取得了较大的进展。尽管已有研究发现，社会人口统计学因素、临床表现、生理学标志、基因多态性和EEG/MEG参数等都是预测抑郁症治疗效果的重要指标，但到目前为止还没有单独的预报方法能获得对临床目的满意的敏感度和特异性[1]。高敏感度和特异性的预测方法对开发计算机诊断具有十分重要的意义。

1 静息态EEG

EEG是由脑皮层神经元突触后电位同步总和的表现。在人们无刺激、清醒、放松条件下记录的EEG称为静息态EEG。时域的EEG有2个特征量，横轴时间变量与纵轴电位变量。仅用这2个变量难以区别正常人与抑郁症病人的EEG。有些研究将静息态EEG进行傅里叶变换，把时域的EEG转换为频域的EEG，用频域的特征量来分析，区别正常人和抑郁症。还有些研究对静息态EEG进行小波变换，这种变换是把时域和频域结合起来的分析方法，然后计算小波熵，抑郁症与正常人在小波熵上有显著的差异。本研究中首先使用快速傅里叶变换(FFT)将静息态EEG从时域转换为频域，快速傅里叶变换的结果与傅里叶变换的结果相似，但是快速傅里叶变换算法在时间复杂度和空间复杂度上都优于傅里叶变换，较便于计算机计算。快速傅里叶变换后可以将各个记录通道的频谱进行频带划分。然后将各个记录通道各个频带的功率或者电压密度导出,做进一步分析。

由于人类的脑呈左右半球对称的结构，但是左右半球的功能不同，研究者很容易考虑到去比较抑郁症与正常人左右半球活动强度的对称性。已有研究在将静息态EEG快速傅里叶变换后，取各个频带各个通道的功率值，进行左右半球对称通道功率值是否对称的检验。大量的证据显示单相抑郁症与前部脑区左半球相对右半球活动下降存在联系[2-4]。临床抑郁症病人相对正常人而言，显示左前额活动下降[5]。用贝克抑郁自评量表(BDI)选出的病人EEG显示与正常人相比左前叶活动降低[6]。

尽管人脑前后部分结构上并不对称，还是有研究探讨前后部脑活动强度比率在正常人与抑郁症病人之间是否有差异。有研究使用PET技术发现抑郁症病人前部脑区相对于后部脑区血液灌注量小，葡萄糖新陈代谢活动较慢[7]。但是还没有研究用EEG研究此问题。本研究将探讨脑前部相对于脑后部电生理活动比值在正常人与抑郁症病人之间的差异。其中Fp1、Fp2、F3、F44个通道EEG反映了脑前部的神经电活动，P3、P4两通道EEG反映了脑后部的神经电活动。取这些通道FFT后的电压密度进行(Fp1-P3)/P3, (F3-P3)/P3, (Fp2-P4)/P4, (F4-P4)/P4计算，这与以前研究左右半球脑活动不对称性的计算方法是类似。而且以前的研究都是使用FFT后的功率值进行计算，本研究使用的是电压密度。

2 方法与被试

2.1 被试情况

抑郁症病人和健康人的选择遵循着一定的排除标准，只要符合其中之一的人都不能参加实验。排除标准为:1)不是右利手；2)最近6个月有酒精、药物滥用或依赖；3)有脑、心、肝、肾、肺等重要脏器疾病；4)有控制不良的糖尿病；5) 有严重的自杀危险；6) 伴有其他精神疾病(如精神分裂症、双向心境障碍等)及严重躯体疾病;7) 年龄不在18～70岁。

正常组被试基本情况见表1，实验前每个被试都填写了贝克抑郁自评量表。分数都在10分以下，平均5.36分，可以认为都是非抑郁症患者。

表1 3组被试的基本信息和相关量表评分

注：**表示经过t检验，正常组与抑郁症未用药组差异显著，P<0.01。

抑郁症病人被试数据收集的时间为2013年1月，地点为首都医科大学附属北京安定医院。这些被试者经过安定医院经验丰富的精神病科医师筛选，都达到DSM-IV标准(美国精神病标准)。基本情况见表1，每个抑郁症患者都填写了贝克自评量表(BDI)、严重度评定表(CGI-S)、汉密尔顿抑郁量表(HAMD)、抑郁快速评估量表(QIDS_SR)、特质焦虑问卷(T-AI)。其中贝克自评量表、抑郁快速评估量表(QIDS_SR)和特质焦虑问卷(T-AI)由被试自己填写，其他量表由医生填写。抑郁症未用药组贝克自评量表平均分为16.43，高于于正常组的平均分，经t检验与正常组差异显著。抑郁症未用药组与抑郁症用药组严重度评定表的平均分数、汉密尔顿抑郁量表平均分数、抑郁快速评估量表分数、特质焦虑问卷平均分数见表1。可以看出抑郁症用药组的所有量表的平均分数都低于抑郁症未用药组。这可能是药物的疗效。

2.2 EEG记录与实验情况

被试者记录EEG时，坐在柔软的椅子上，室内光线较弱，环境较安静。记录EEG时被试者闭眼，安静地坐着。记录时间为8 min。为了避免被试者受实验前事件或环境的刺激，分析数据时只选择第5到第8分钟的EEG进行分析。记录EEG使用的通道是10-20国际系统中的Fp1、Fp2、F3、F4、P3、P4共6个通道。其中Fp1、Fp2、F3、F4位于大脑前部额叶，P3、P4位于后部顶叶。Fp1、F3、P3分别于Fp2、F4、P4左右半球对称位置。所有的电极与头皮之间的阻值都在5 000 Ω以下。记录EEG的设备为Brain Vision Recorder，采样频率为500 Hz。

2.3 数据分析

数据分析首先使用的是Brain Vision Analyser软件。1)将原始数据导入该软件;2)为设置参考电极，将Tp9、Tp102通道设置为参考电极;3)眼电纠正，将眨眼或眼动带来的肌电影响进行纠正;4)伪迹去除，去除掉由于设备或被试者动作带来的伪差信号;5)滤波，根据所要分析的信号频率，适当设定波形带宽，滤除不必要的信号;6)分段，根据标志将要进行进一步分析的脑电信号提取出来，将截取8 minEEG的后3 min;7)快速傅里叶变换(FFT)，将时域的信号转换为频域的信号。FFT后的单位为电压密度;8)划分频带并导出数据。频带是这样划分的：delta频带(0.5～3.5 Hz)， theta频带(4～7 Hz)， alpha1频带(7.5～9.5 Hz)， alpha2频带(10～12 Hz)，beta1频带(13～23 Hz)，beta2频带(24～34 Hz)， gamma频带(35～45 Hz)。图1表示各个频带对应的电压密度，之后将各个频带的面积分别导出。

利用各个通道EEG快速傅里叶变换后各个频带的电压密度值分别计算(Fp1-P3)/P3、(F3-P3)/P3、(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4以比较大脑前后部信号比的变化。其中(Fp1～P3)/P3、(F3-P3)/P3值的正负可以比较左半球脑前后部电活动的强弱，(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4值的正负可以比较右半球前后部电活动的强弱。最后用SPSS软件进行统计分析。

图1 EEG快速傅里叶变换并且划分7个频带后频谱图

Fig.1FFTbasedvoltagedensityinsevenfrequencybands

3 结果分析

表2可以看出正常组的分析结果。除了alpha2频带(F3-P3)/P3的平均值为负，(F4-P4)/P4的值为负外，其他各频带的平均值都为正。这表明正常人脑前部的电压密度大于脑后部的电压密度，脑前部的神经电活动强于脑后部。

表3为抑郁症未用药组的分析结果，除了alpha2频带的(F4-P4)/P4为0，delta频带的(F4-P4)/P4为0.266，gamma频带的(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4分别为0.708、0.085外，其他大部分均值都为负值。这表明抑郁症未用药病人脑前部电压密度小于脑后部的电压密度，脑前部的神经电活动弱于脑后部。表4为抑郁症用药组的分析结果，每个频带都有负值和正值。并且(Fp1-P3)/P3、 (F3-P3)/P3、(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P4这几项计算中数值也有正有负，但是正值的地方比抑郁症未用药组多，比正常组少。表2～4中括号内为标准差。

表2 正常组各频带前后部电压密度比较

表3 抑郁症未用药组各频带前后部电压密度比较

表4 抑郁症用药组各频带前后部电压密度比较

本研究使用t检验探索正常组与抑郁症未用药组的差异、正常组与抑郁症用药组的差异。从表5可以看出正常组与抑郁症未用药组大部分频带存在显著差异，特别是右侧的(Fp2-P4)/P4、(F4-P4)/P42项差异显著的频带较多。这表明正常人的前后部脑活动与抑郁症病人存在显著差异，正常人脑前部较脑后部神经电活动较强，抑郁症病人则相反，脑前部较脑后部神经电活动较弱。从表6可以看出正常组与抑郁症用药组有些频带存在显著差异，与表5相比，这些差异的地方就少多了。这可能表明抑郁症用药组由于药物治疗的作用，与未用药组相比，前后不对称性情况有所改善。

表5 正常组与抑郁症未用药组在各个频带t检验结果

注：*表示P值小于0.05，差异显著。

表6 正常组与抑郁症用药组在各个频带t检验结果

注：*表示P值小于0.05，差异显著。

本研究主要通过比较抑郁症未用药组、抑郁症用药组和正常控制组的前后部脑电活动的差异进行了比较。 结果表明正常人脑前部神经电活动强于脑后部。抑郁症未用药病人脑前部神经电活动弱于脑后部。抑郁症用药病人脑前部生物电活动弱于脑后部，但比未用药抑郁症病人的这种不对称性减弱。研究发现单相抑郁症与前部脑区左半球相对右半球活动下降存在联系[4]。临床抑郁症病人比正常人相对而言，显示左前额活动下降[5]。有研究认为抑郁症的alpha频带脑神经电活动的在前部的左右不对称性反映了个体的某种情感风格和动机偏见[8]。左前部EEG偏侧(左前部比右前部脑活动强)可能与接近动机和积极情感的行为有关，而那些显示右前部EEG偏侧(右前部比左前部脑活动强)可能与退缩和消极情感相联系的行为有关[9]。有研究表明前部静息态EEG不对称对成年人同时存在的情感障碍敏感而且可能是青年人处于情感障碍危险时的特征[10]。另外还有研究认为，根据社会因素理论，慢性压力和其它逆境与低社会经济地位对抑郁症的发生联系起来。根据社会选择理论，生物的和环境的因素对抑郁症的发生有贡献，反之导致社会趋势向更低的社会经济阶层转变。已有发现对这两种观点都支持[11]。存在类人猿的证据表明压力能导致神经传递功能偏侧性的改变，这种功能表现为与焦虑相目前抗抑郁剂在治疗抑郁症中扮演着重要角色。本研究中抑郁症用药组在脑前后部神经电活动比值中负值数目少于抑郁症未用药组的结果，这应该是抗抑郁剂的治疗作用的表现。EEG被认为是预测治疗效果特别有用的技术，它对抗抑郁剂的起效过程很敏感[12]。本研究中对抑郁症病人脑前后部神经电活动比值与正常人存在差异的发现，用于抗抑郁剂疗效的预测也是可行和方便的，并且这个发现有益于抑郁症计算机自动诊断的实现。关行为有关[13]，而抑郁症最明显的症状就是焦虑。一个研究从相关和多重回归结果看来，社会经济地位对前部脑偏侧化存在直接原因效应，而母亲抑郁史仅有弱的直接效应[14]，表明遗传因素并不是引起抑郁症的主要因素。还有研究发现存在大量的因素并非慢性的压力与社会经济地位能对脑产生偏侧化相关。这些因素包括母亲的温暖，同伴群体的不稳定，社会支持，和认知刺激[15]。本研究发现抑郁症患者的左右大脑的前后部不对称性都与正常控制组有差别，左半球的前部活动弱于后部脑活动，可能反映了抑郁症在接近动机和积极情感方面的削弱；而右半球的前部活动也要弱与后部脑活动，这可能反映了抑郁症的高焦虑程度。

4 结束语

功率与电压密度都可以将静息态EEG做FFT后得到，都能划分出alpha、beta等频带，但是电压密度在数值上远大于功率，这样在进一步分析计算时，不用取对数，简化了数据处理。与以往研究多使用功率值不同，本研究采用电压密度分析脑电信号的强度。尽管已有大量研究发现抑郁症在左右半脑前部的不对称性，但是是否在前后部不对称性上抑郁症与正常人存在差异，还缺乏相应的脑电证据。未来将进一步探讨本结论的稳定性，即时间上的持续性，也将针对抑郁症的焦虑程度对抑郁症的EEG进一步分析，以确定具有诊断和疗效预测的EEG指标。

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