急性中度饮酒对人体脑电信号的影响

邢丽冬，方得胜，钱志余，王 笑，金 帅

（南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）

急性中度饮酒对人体脑电信号的影响

邢丽冬，方得胜，钱志余，王 笑，金 帅

（南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）

分析志愿者在急性中度饮酒前后的脑电信号（EEG）变化，研究急性中度饮酒对人体健康的影响.基于Neuroscan脑电仪构建实验平台，实时采集志愿者在急性中度饮酒前以及饮酒后2,h内的脑电信号数据.利用Curry7软件对数据进行预处理，去除伪迹；预处理后的数据用Matlab中的EEG工具包用小波变换的方式进行特征波形的相对功率计算.得到各个频段（α波、β波、θ波）的功率值在急性中度饮酒前后都有不同程度的变化，在低频段（θ波）表现得尤其明显，在饮酒后1,h达到峰值.由各频段功率值计算得到的疲劳因子R值，与低频段变化趋势基本一致.急性中度饮酒前后大脑疲劳度没有瞬时的变化.大脑疲劳度在急性中度饮酒后1,h达到峰值，并在之后逐渐衰减，直到酒后2,h基本恢复正常水平.

急性中度饮酒；EEG；疲劳因子R值

酒精的药理作用具有双面性［1］.研究表明，急性少量饮酒可以促进大脑瞬时的兴奋，减少大脑对事件的响应时间；而慢性长期的饮酒会对大脑神经系统造成伤害［2］.过度摄入酒精，影响人体的免疫、内分泌、神经系统，还会导致酒精依赖.在年轻人尤其在校大学生中，过度饮酒的现象正在逐渐增加；而过度饮酒人群与一些社会上的负面现象息息相关［3］.因此，对不同程度饮酒对人体健康的影响进行定量研究，制定相关标准指导人们健康饮酒显得尤其重要.

国内外学者对饮用酒精对人脑认知功能的影响已展开了相关研究.Sabia等［4］提出，在大于36岁的男性个体中过度饮酒人群的记忆力下降速度明显高于适度和低度饮酒的下降速度.Ewing等［5］通过统计PubMED数据库中fMRI和MRI的数据，得出饮酒会对青少年的大脑结构和功能产生一定影响的结论.Oscar-Berman等［6］提出，酒精对大脑功能的影响直接体现在细胞对神经系统的刺激.对于急性饮酒对认知功能的影响，Michael等［7］认为，急性少量的饮酒能促进大脑的兴奋，特别是在大脑的前额叶.连耿鹏［8］认为对活体脑内组织的代谢情况的定量分析可以用磁共振技术实现，缺点是时间较长.余林蔓等［9］分析了酒精依赖患者的脑电图，认为酒精对脑细胞有直接毒性作用，脑电信号（EEG）作为研究脑功能的重要手段，是脑细胞功能的最直接反映.

回顾以往研究，对慢性长期饮酒以及酒精依赖的群体研究居多，对急性饮酒又多是AUDIT认知表［10］等定性实验.因此，需要更加科学以及准确的研究方法来分析急性饮酒对大脑认知功能的影响.本文根据实时采集志愿者在急性中度饮酒前后的EEG，分析各个频段的功率变化，计算疲劳因子R值来评估大脑疲劳变化情况.

1　实验方法

1.1志愿者

共20名志愿者参与了本实验，其中男性15人次，女性5人次.20名志愿者均是来自南京航空航天大学的在校大学生，无酒精过敏，无酒精依赖，在实验开始之前24,h内均未摄入酒精.另外，20名志愿者均通过了简易精神状态检查（mini-mental state examination，MMSE）［11］的精神评估，19名志愿者的问卷得分为30，1名志愿者为29分.问卷总得分30，评分29及以上认为认知功能正常.

1.2实验设备

采集脑电信号采用的是便携式40导Neuroscan脑电仪，采样频率1,000,Hz，采用国标10～20导联分布，30个电极用于采集脑电信号，4个电极用于去除眼电干扰，实验过程中各电极的电阻阻值保持在5.0,kΩ以下.脑电信号的采集与处理的软件为Curry7，版本号为7.07.

CA2000型呼气式酒精检测仪，用于测试呼气酒精浓度，通过换算可得到血液酒精浓度.

1.3饮酒量计算

根据国家标准GB 19522—2010，每名志愿者饮酒量计算式为

式中：酒精密度=0.8,g/mL；酒精摄入量按中度饮酒每1,kg体重摄入0.45,g［12］计算，即每100,mL血液中酒精含量为50,mg，在我国酒驾标准［13］（血液酒精浓度20,mg/100,mL～80,mg/100,mL）的范围之内.

1.4实验流程

每例实验的开始时刻为下午两点，并且在固定的封闭环境下进行，志愿者在实验开始之前的24,h内禁止酒精的摄入.实验开始之后志愿者阅读实验知情同意书，填写包括体重等基本信息便于计算饮酒量，进行MMSE测试.测试通过后进行第1次实验：用呼气酒精测试仪测试呼气酒精浓度，在静息状态下采集脑电信号3,min，做神经行为认知状态测试（neurobehavioral cognitive status examination，NCSE）［14］.饮酒时，按计算得到的饮酒量，给志愿者饮用白酒（42°（V/V）丰谷酒），饮酒的时间限制在1,min之内.立即重复第1次实验，之后每15,min测1次呼气酒精浓度，每0.5,h重复1次实验，直到饮酒2,h后做最后1次实验结束.共得到6组采集数据，每组数据包括呼气酒精浓度、脑电信号以及NCSE问卷得分.

1.5实验数据处理

脑电数据采集的过程受到生理活动和实验仪器的影响，存在伪迹，在参数计算之前对其进行预处理.预处理所用的软件为Neuroscan配套的Curry7，经0.01～45,Hz带通滤波，采用协方差的方法去除伪迹，并将幅值大于100,μV的作为坏区去除，最后将所有单个数据进行叠加平均.将预处理后的脑电数据导入Matlab的EEG工具包中，计算各个频段的相对功率值.最后，使用SPSS软件对得到的实验结果进行统计学分析.

2　实验结果

2.1呼气酒精浓度/血液酒精浓度（BrAC/BAC）

每个志愿者在急性中度饮酒前和饮酒后每15,min直到酒后2,h都测试1次呼气酒精浓度，总计10次.20例志愿者每个时段的呼气酒精浓度平均值如表1所示（饮酒前所有被试者的测试值都为0）.

呼气酒精浓度和血液酒精浓度之间存在算换关系［15］，即

由式（2）计算得到的血液酒精浓度如表1所示.

表1　20例志愿者饮酒后各时段呼气酒精浓度平均值和血液酒精浓度平均值Tab.1 Average BrAC and average BAC of 20 volunteers in each period after drinking

在实验过程中，我们在急性中度饮酒结束后瞬时检测呼气酒精浓度，检测到的值偏高.原因为CA2000型呼气式酒精检测仪只能检测志愿者当时呼出气体中的酒精分子含量，而饮酒后瞬时测量，志愿者食道中有较多的酒精，影响测得准确值.在15,min后血液酒精浓度趋于平稳下降，并在30,min后降到酒驾标准以下.但设备的精度有限，血液酒精浓度只作为一个参考指标来评定处于酒驾标准以下时疲劳度的变化.

2.2EEG分析

正常脑电图由不同频率和振幅的混和波形组成，根据频率的不同可分为4种波形［16］.α波（8～13,Hz）可在成年人清醒且闭目的时候检测到，表现为正常成年人的脑电图的基本节律；β波（14～30,Hz）在正常人情绪激动或思维活跃的情况下出现；θ波（4～7,Hz）一般在成年人进入瞌睡或者睡眠时出现，在顶叶区比较明显；δ波（1～3,Hz）一般是儿童进入深度睡眠时出现在枕叶与颞叶的特征波，本文未对δ波进行分析.

本实验将20例志愿者在急性饮酒前、饮酒后、酒后30,min、酒后60,min、酒后90,min、酒后120,min的脑电数据（每例志愿者6组数据），按每个通道（脑电仪的电极）进行叠加后导入Matlab软件中的EEG工具包中进行各频段相对功率的计算，得到了20例志愿者的各通道中各频段的相对功率的平均值.再将各通道（采集脑电信号的电极共30个）的值进行平均，得到,α,波、β波、θ波的总体变化情况如图1～图3所示.

图1　α波的相对功率Fig.1 Relative power of wave α

图2　β波的相对功率Fig.2 Relative power of wave β

图3　θ波的相对功率Fig.3 Relative power of wave θ

图1、图2、图3中横坐标中，“-0”表示饮酒前，“+0”表示饮酒后即时.

按时间轴对各个波段功率的变化进行分析，得到以下结果.

-0～+0：急性中度饮酒前后各波段变化主要表现为α波功率的下降和β波功率的上升，而θ波的功率没有明显变化.酒精对大脑产生瞬时的兴奋，使大脑出现大量的β波形，相对的α波形会减少.而在这个时间段，志愿者对睡眠的需求不大，θ波基本不变.

+0～30：急性中度饮酒后30,min内，主要表现为β波功率的迅速减弱，酒精使人脑产生紧张和兴奋的情绪逐渐减弱.而α波和θ波的功率值变化不明显，基本维持在一个水平线上.

30～60：急性中度饮酒后30～60,min，主要表现为θ波和α波的功率值上升，酒精长时间的刺激，志愿者疲劳感上升，出现强烈困乏的感觉.而β波基本没有出现，功率值维持在一个较低的水平.

60～90：急性中度饮酒后60～90,min，主要表现为θ波和α波的功率值下降.在这个时间段，志愿者的疲劳感得到相对的缓解，瞌睡的感觉逐渐减弱，情绪也逐渐恢复.而β波功率值依然维持在一个较低的水平，解释为这个时间段，紧张和兴奋的感觉依旧很低.

90～120：急性中度饮酒后90～120,min，表现为β波的功率值的上升，思维开始活跃，但依旧没有达到饮酒前水平，酒精对志愿者情绪的抑制作用明显. α波和θ波的功率值有小幅度的上升，可能是长时间的实验环境比较安静导致志愿者产生一定的疲劳.

吴绍斌等［17］在研究驾驶疲劳时提出疲劳因子R值，可由式（3）计算得到.

式中Pα、Pθ、Pβ分别表示3个波段的相对功率.R值越大，表示疲劳等级越高.本实验中由各频段功率谱比值计算得到的R值情况如图4所示.

图4　疲劳因子RFig.4 Fatigue factor R

志愿者在急性中度饮酒后的瞬间，疲劳等级没有立即升高，反而有轻微的下降，由酒精刺激大脑瞬时兴奋引起［18］.之后疲劳等级开始逐渐升高，直到饮酒后60,min达到最大值，之后开始下降，到饮酒后120,min基本与饮酒前水平一致.

2.3统计学分析和主观问卷

每例志愿者在饮酒后各个时段各个通道的值与饮酒前做配对t检验，取特征值=0.05标准，得到各个波段中有显著性差异的通道，具体情况见表2.

表2　统计分析Tab.2 Statistical analysis

结果显示在11个通道（T4，C3，TP2，F3，FT8，O1，O2，TP8，T5，Pz，Oz）存在显著性差异，而T4和O2两个通道各波段和R值均具有显著性差异.说明R值在分析疲劳度上是具有参考价值的分析量.

2.4主观问卷

在实验过程中对志愿者做NCSE问卷，共8个部分，包括10个项目，分别是：定向力（ORI）、注意力（ATT）、语言能力——理解（COMP）、复述（REP）、命名（NAM）、空间结构能力（CONST）、记忆力（MEM）、计算能力（CALC）、推理判断能力——类似性（SIM）、判断力（JUD）.每个项目评级分为正常（0级）、轻度异常（1级）、中度异常（2级）、重度异常（3级）4个级别.TCD等级如表3所示.

表3　TCD等级Tab.3 Grade level of TCD

根据20例志愿者NCSE问卷的总得分情况，只有2例在急性中度饮酒后60,min出现了TCD等级为1级的轻度异常，得分分别为63和64，表现为ATT（注意力）项和CALC（计算能力）项的得分较低；其他均为正常即TCD等级为0级.按饮酒后不同时段的总分与饮酒前总得分做配对t检验分析，发现均无特异性差异即特征值p均大于0.05，解释为个体性差异［19］大引起.

单项测试结果中，每个单项按急性中度饮酒后时间分组，分别与饮酒前测试值做配对t检验，得到特征值p小于0.05的只有ATT（注意力）项，其他均无特异性差异.ATT组统计学分析p值的具体情况如表4所示.

表4　ATT的p值Tab.4 p value of ATT

并且在ATT（注意力）项中，有3例在急性中度饮酒后30,min出现轻度异常；有7例在急性中度饮酒后60,min出现轻度异常；有2例在急性中度饮酒后90,min出现轻度异常.

3　结　语

急性中度饮酒后，血液酒精浓度下降的速度一开始会很迅速［20］，直到BAC下降到20,mg/100,mL之后开始缓慢下降，但这跟大脑疲劳度的变化关联性并不大，并且在血液酒精浓度下降到酒驾标准之下后疲劳度反而还在上升.

饮酒前到饮酒后，酒精对大脑产生瞬时的兴奋，β波的相对功率值上升，α波的相对功率值下降，而θ波在成年人睡觉时体现，所以这个时间段的变化不明显.饮酒后到饮酒后1,h，酒精对大脑的持续刺激使大脑产生疲劳感，β波的相对功率值下降明显，相反的α波和θ波的值上升，并在酒后1,h达到最大值，志愿者在这个时间点会有瞌睡感.饮酒后1,h到饮酒后2,h，人体代谢作用对酒精的分解［21］使酒精对大脑的刺激减弱，同时α波和θ波的相对功率值下降，而β波的相对功率上升.

急性中度饮酒后大脑疲劳度的变化趋势明显，且在酒后的60,min达到最大值，与各波段功率的分析结果一致.

结合主观问卷的结论，在急性中度饮酒后并不会对大脑的总体认知功能产生损伤，由总分并没有特异性差异得到结论.但是在影响大脑的注意力情况上有一定的表现，在酒后的30、60、90,min出现了不同程度的异常.结合疲劳因子R值在这个时间段超过正常30%,～60%,，故建议该时段不要做危险性操作，风险性提升.

疲劳因子R值可有效分析志愿者在饮酒后大脑疲劳度的变化，是具有有效性的分析量.

本文在实验设计上也存在一定的局限性，未考虑男女个体的差异，在饮酒量的选取上没有梯度分级，只做了低度、中度、高度的大致区分，无法做到不同程度饮酒情况的比对，以后在各方面进行改进，以求得到更有说服力的结论.

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（责任编辑：赵艳静）

Effects of Acute Moderate Alcohol Consumption on Human Brain Electrical Signal

Xing Lidong，Fang Desheng，Qian Zhiyu，Wang Xiao，Jin Shuai
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The EEG change of volunteers before and after acute moderate alcohol consumption was analyzed， and the effect of acute moderate alcohol consumption on human health was studied. All of the test system was set up based on the Neuroscan electroencephalograph. Real-time EEG data of volunteers were gathered before acute moderate alcohol consumption and two hours after drinking. After the artifact was removed with the software of Curry7， the EEG feature waves were extracted and the relative power of relevant EEG parameters were calculated with the method of wavelet transform by the software of Matlab. The power of each spectrum （α， β， θ） undergoes changes of different degree before and after acute moderate alcohol consumption， especially at low frequency（θ）， and a peak arises after drinking for an hour. The change of the fatigue factor R calculated by the power spectrum values is the same as that of the θ wave. The instantaneous change of brain fatigue does not occur before and after acute moderate alcohol consumption. After acute moderate alcohol consumption， brain fatigue rises slowly over time， the peak occurs in an hour after drinking， then gradually decreases and finally returns to normal two hours later.

acute moderate alcohol consumption；EEG；fatigue factor R

R318

A

0493-2137（2016）09-0961-06

10.11784/tdxbz201506035

2015-06-09；

2015-09-08.

科技部十二五国家科技支撑计划课题资助项目（2012BAI23B07）；国家自然科学基金资助项目（61171059）.

邢丽冬（1968— ），女，博士，副教授.

邢丽冬，xldnuaa@nuaa.edu.cn.

网络出版时间：2015-09-28. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150928.1600.008.html.