字母短时记忆下正常成年人40hzERP非线性动力学参数的比较①

杨 田，朱晓峰

(佳木斯大学神经科学研究所，黑龙江 佳木斯 154007)

字母短时记忆下正常成年人40hzERP非线性动力学参数的比较①

杨 田，朱晓峰

(佳木斯大学神经科学研究所，黑龙江 佳木斯 154007)

目的：比较分析不同程度认知负荷字母短时记忆下正常成年人40hz脑电信号的变化，以初步了解认知负荷对大脑40hzERP信号的影响，初步探讨字母短时记忆刺激事件及其负荷程度对40hzERP研究的量化性，初步评价在该刺激事件下非线性动力学参数的实用性。 方法：选取正常成年人50例，给予不同认知负荷字母短时记忆刺激，采集脑电信号并用非线性动力学参数常用指标进行数据处理分析。 结果：①正常成年人在不同认知负荷字母短时记忆刺激下，大脑各导联非线性动力学参数均有显著变化，并具有统计学意义(P<0.05)；②正常成年人在认知活动中的非线性动力学参数值高于安静状态下，在安静睁眼和闭眼状态下无明显高频信号的出现，数据处理未求得非线性动力学参数。 结论：① 字母短时记忆重复再认可以作为诱导大脑高频信号的适宜刺激事件；②非线性动力学参数关联维数、复杂度及近似熵可以作为大脑高级神经认知活动的检测指标。

字母短时记忆；认知负荷；40hzERP；非线性动力学参数

随着时代发展，高级神经认知功能障碍性疾病[1]越来越成为人们关注的焦点，同时在对其诊断和临床治疗等方面的难题也吸引了很多专业人士为之奋斗努力，经过前人多年的刻苦研究，人们发现在该类疾病早期阶段识别出轻程度认知障碍患者并加以干预对其临床治疗和预后具有重要意义.目前用于认知功能障碍患者的临床诊断方法主要有国际认知功能记忆评分量表[2]、功能磁共振成像、正电子放射断层扫描、常规脑电图[3]，但是这些手段都各自有其不足之处，比如记忆量表结果带有主观性，常规脑电图只针对癫痫的诊断有特异性等，因此必须寻找出能克服以上不足的诊断手段才能到达早期识别高级神经认知功能障碍患者，事件相关性脑电位中的高频成分40hzERP[4]经过近几年的深入研究后被发现它与人大脑高级认知活动有密切关联，且具有各种优势可以避免这些不足，但由于大脑工作机制的复杂性以及高频脑电信号的低波幅、弥散规律性差等特点，目前还没有确定出能诱导出40hzERP的标准刺激事件，也没有发现将高频脑电信号转化为能直接诊断的金指标。本实验欲先以正常人入手，分析字母短时记忆变化对40hzERP非线性动力学参数的影响，以期望能找到适宜的刺激事件并确定其适宜认知负荷，找到能用于早期临床诊断认知功能障碍的标准参数值。

人大脑对外界任何刺激都会做出相应反应，不同的刺激事件会激发出大脑不同的工作状态，启用不同的神经认知功能，这时我们可以在头皮表面经电极记录到脑电信号，发现该脑电信号特征与神经认知功能的关联性，近年研究发现其中高频脑电信号最能代表大脑高级认知功能，虽然这种高频成分波幅低频率快、弥散无固定波形，但仍具有混沌特征[5]，因此可以引用混沌相关理论[6]，用非线性动力学参数来分析不同状态下脑电信号的变化，代替以往对脑电波形特征性成分的分析[7]。

1 资料与方法

1.1 实验对象

通过志愿选取佳木斯大学大一学生50例，男女比例1:1，平均年龄在19岁，经临床检查均无影响实验结果的相关疾病，经心理学测试均无明显认知障碍，所有被试者均为右利手，高考成绩相当。

1．2 实验方法

实验采取N-back任务模式[8]，该任务是一连串的英文字母依次呈现在屏幕上，每个字母呈现时间和间隔时间均为1秒，要求被试者在当前字母与之前相隔第n个字母重复时做出反应，通过分别取N=0、1、2、3来控制认知负荷大小，当N=0时要求被试者遇到相邻字母重复出现时做出反应，当N=1时则要求被试遇到相隔一个字母重复出现时做出反应…当N=3时则要求被试遇到相隔三个字母重复出现时做出反应，每个被试者在实验当天前夕一定要保证充足睡眠，避免空腹测试，测试前洗头并吹干，每个被试需依次经过N=0、1、2、3的整个测试。

实验脑电信号采集采用国际脑电图学会制定的10-20系统32导电极帽，依次对被试者进行安静睁闭眼眼两分钟及不同负荷认知下的脑电测试，后台记录每个脑电极信号，通频宽度为0.05～100hz，采样频率为1000hz，选用A1、A2平均值作为参考电极[9]。

2 实验数据处理

3.1 正常成年人在不同认知负荷字母短时记忆刺

激下，大脑各导联非线性动力学参数均有显著变化，并具有统计学意义(P<0.05)，从结果看出非线性动力学参数随着同一性质刺激事件认知负荷难度的增加而增大。

3.2 正常成年人在认知活动中的非线性动力学参数值高于安静状态下，在安静睁眼和闭眼状态下无明显高频信号的出现，数据处理未求得非线性动力学参数。

正常人大脑部分导联(FP1、FP2、T3、T4、O1、O2、O3)在不同认知负荷(N=0、1、2、3)状态下的非线性动力学参数值，见表1～3。

表1 部分导联关联维数在不同认知负荷状态下的比较±s)

表2 部分导联复杂度在不同认知负荷状态下的比较±s)

表3 部分导联近似熵在不同认知负荷状态下的比较±s)

4 结论

4.1 字母短时记忆重复再认可以作为诱导大脑高频信号的适宜刺激事件。

4.2 非线性动力学参数关联维数、复杂度及近似熵可以作为大脑高级神经认知活动的检测指标。

5 讨论

刺激事件既要具有临床研究的可行性，又要能保证刺激后所得脑电信号的可靠性。经过本实验研究，虽发现字母短时记忆任务可以作为大脑高频信号的刺激事件，但是还有诸多难题仍未解决，如对刺激事件属性的标准化、刺激事件难度的设定以及是否还存在有其他更好的刺激事件等关键性难点。在实验中我们发现当认知负荷过大时，被试者会难以配合实验，这样采集到的脑电信号出现很多干扰，不利于数据分析，因此，只有标准刺激事件才能得到标准的具有说服力的非线性动力学参数值，从而建立相应刺激事件下的正常范围值以识别高级神经认知功能障碍患者，早期诊断出轻度认知功能障碍并对其施以干预，阻碍认知功能障碍的发展，提高治愈率.

[1]何云燕.卒中后认知功能障碍危险因素的现状及进展[J].中国城乡企业卫生,2014,12(6):11-12

[2]王泽宇, 朱晓峰.蒙特利尔认知量表和MMSE量表在阿尔茨海默病筛查中的比较与应用[J].黑龙江医药科学，2011,34(4):40

[3]罗跃嘉，姜扬，程康.认知神经科学教程[M].北京:北京大学出版社，2006:93-130

[4]王泽宇，朱晓峰，盛宝英. 阿尔茨海默病患者图形和汉字短时记忆的40Hz脑电的研究[D].佳木斯大学，2014

[5]杨红军，胡三觉.混沌在神经系统中的作用[J].生理科学进展，2002,33(3)：259-261

[6]IsarNejadgholi,SeyyedAliSeyyedsalehi,SylvainChartier.AChaoticFeatureExtractingBAMandItsApplicationinImplementingMemorySearch[J].NeuralProcessingLetters, 2012, 36(1):69-99

[7]潘颖华，葛丹，张继泽，等.针灸治疗血管性痴呆患者事件相关电位改变的临床研究[J]. 黑龙江医药科学，2014,37(1)：60-62

[8]LisaMJacola,VictoriaWWillard,JasonMAshford,etal.ClinicalutilityoftheN-backtaskinfunctionalneuroimagingstudiesofworkingmemory[J].JournalofClinicalandExperimentalNeuropsychology,2014,36 (8):875-886

[9]陈士辉，胡三清.脑电信号中参考信号的研究与应用[D].杭州电子科技大学，2014

A comparison of normal adults’ forty hertz nonlinear dynamics parameter under letters short-term memory

YANGTian,ZHUXiao-feng

(Neuroscience Institute of Jiamusi University, Jiamusi 154007,China)

Objective: To analyze the changes of normal adults’ forty Hertz brain electrical signal under different degrees of cognitive load letters short-term memory so as to preliminarily understand the effects of cognitive load on brains’ forty hertz brain electrical signal; to preliminarily discuss the quantification of letters short-term memory stimulus and its degree of load about the forty event-related brain potentials research; to preliminarily evaluate the practicability of nonlinear dynamic parameters under this stimulus. Methods: Fifty normal adults were given different degrees of cognitive load letters short-term memory. Then EEG signals was collected and analyzed by using nonlinear dynamic parameters commonly used indicators. Results:Under different degrees of cognitive load letters short-term memory, normal adult brains’ nonlinear dynamic parameters on every lead has obvious and statistically significant changes (P<0.05);normaladultbrains’nonlineardynamicparametersinthecognitiveactivityisgreaterthantheirsinthequietcondition.therehasn’tbeenobviouspresenceofhighfrequencysignalsunderthequietstateofopeningandclosingoureyes.wecan’tobtainthenonlineardynamicparametersbydataprocessing. Conclusion: Repeated recognition of letter short-term memory can be used as appropriate exciting event to induce brain’s high frequency signals. Nonlinear dynamic parameters, such as correlation dimension, complexity and approximate entropy, can be used as the measurements of brain’s advanced-neural cognitive activity.

letters short-term memory; cognitive load; forty event-related brain potentials; nonlinear dynamic parameters

杨田(1988～)男，湖北利川人，在读硕士研究生。

朱晓峰(1963～)男，山东蓬莱人，博士，教授，博士研究生导师。E-mail：zhuxiaofeng1227@163.com。

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1008-0104(2017)01-0080-02

2015-11-04)