听觉和视觉认知电位P300系列成分的临床电生理学特征*

2017-12-20张萍淑孔祥慧元小冬军王淑娟吴小英陶莉张健王

中国健康心理学杂志 2017年1期

张萍淑孔祥慧元小冬△雷军王淑娟吴小英陶莉张健王京

①中国.华北理工大学附属开滦总医院神经内科(河北唐山) 063000 ②河北省神经生物机能重点实验室(河北唐山) ③河北省唐山市神经病学重点实验室 △通讯作者 E-mail:yxd69@sohu.com

张萍淑①②③孔祥慧①元小冬①②③△雷军①王淑娟①②③吴小英①②③陶莉①②③张健①②③王京①②③

目的:通过对视觉和听觉事件相关电位P300系列成分的研究,了解其临床电生理学特征,从而为临床评价脑认知功能的状态提供依据。方法:使用经典的Odball P300刺激范式对29名志愿者分别进行视觉、听觉刺激,采用64导ERP数据采集分析系统进行数据采集及离线分析。使用SPSS 17.0对所得数据进行统计分析。结果:听觉P1波幅和潜伏期的性别主效应均显著(F=5.44,22.45;P=0.02,0.00),N1波幅的性别和电极部位主效应也均显著(F=4.50,17.85;P=0.04,0.00),P2波幅的电极部位主效应明显(F=17.64,P=0.00);而视觉P1、N1、P2的波幅和潜伏期中,仅P2波幅的电极部位主效应显著(F=3.51,P=0.04)。视觉性P1、N1、P2电位潜伏期明显小于听觉性P1、N1、P2(F=20.45,104.12,107.26;P=0.00),P1和N1的波幅明显低于听觉性P1、N1(F=7.05, 133.82;P=0.01,0.00),听觉性N2、P300电位潜伏期明显大于视觉性N2和P300(F=52.43,52.64;P=0.00),视觉N2的波幅也明显高于听觉性N2(F=26.00,P=0.00),但视觉性P300波幅与听觉性P300无差异(F=0.00,P= 0.989)。结论:听觉诱发电位具有早期外源性感知电位影响因素较多,P300等晚期内源性认知电位虽然相对稳定,但有波幅较低的缺点;视觉诱发电位早期外源性感知电位同样结果较稳定但波幅低,而晚期内源性认知电位具有波幅高和波形分化好的优点。因此同时检测视觉和听觉P300能够更加准确地评价大脑的认知功能。

视觉诱发电位;听觉诱发电位;P300电位;脑认知功能;外源性感知电位;内源性认知电位

事件相关电位(Event—related Potential,ERP)是给予神经系统特定刺激或撤消刺激时,大脑对刺激信息进行加工,从而在脑的相应部位产生与刺激有固定时间间隔和特定位相的生物电反应[1]。通常脑电波的成分复杂而且不规则,一般为几微伏至75微伏[2]。由心理活动所引起的脑电波很弱,一般都淹埋在正常的自发脑电活动之中[3]。然而,我们可以应用叠加技术从脑电图中提取出这种与事件发生有固定锁时关系的事件相关脑电波,即ERP。经典的ERP包括与运动等相关的外源性感知电位成分和反映大脑执行认知任务时大脑信息处理过程的内源性认知电位成分。认知电位P300已广泛应用于神经心理和认知功能障碍的研究[4]。

P300是将小概率事件作为靶目标刺激时诱发产生的一组晚正复合波成分,出现在相关目标刺激后约300ms左右[5]。一般靶目标刺激呈现的概率要远远小于非靶目标刺激[6],经典的oddball刺激模式可以诱发出P1、N1、P2、N2、P300等电位成分,其中P1、N1、P2为早期外源性感知电位,而N2、P3成分为内源性认知电位成分[7]。目前认为ERP是评价认知功能状态的最重要客观指标之一[8],但国内外关于P300电位临床应用的研究主要集中在听觉事件相关电位P300,用其作为评估和诊断认知功能状态的指标。很少对于视觉通道刺激产生的事件相关电位P300在认知功能评价中的意义进行研究。视觉性认知电位P300在认知功能状态评价中的作用不如听觉P300敏感吗?两者之间关系如何及其临床电生理学特征尚不完全清楚。本项研究通过对视觉和听觉事件相关电位P300系列成分的检测,对其临床电生理学特征以及两者之间的关系进行分析,从而寻找适用于临床评价脑认知功能的电生理学方法和指标,为诊断早期认知功能障碍提供理认依据。

1 对象与方法

1.1 对象

不同年龄层次、不同学历的29名健康志愿者,所有志愿者均为右利手。志愿者年龄分布为23～67岁,平均(40.66±13.707)岁。其中初中学历4人(13.8%)、中专学历3人(10.3%)、大学学历7人(24.1%)、研究生学历15人(51.7%)。所有志愿者进行简易智能量表(MMSE)、Zung氏焦虑量表(SAS)、Zung氏抑郁量表(SDS)检查以了解其精神状态。正常志愿者的MMSE为(29.83±0.54)分。焦虑自评量表(SAS)评定的标分(36.21±6.94)分,抑郁自评量表(SDS)评定的标分为(40.69±7.10)分,均正常。所有的志愿者进行听阈及视力检测,结果均正常,排除视听力障碍对实验结果的影响。本实验排除了既往患有影响智能情况的内科疾病及颅脑外伤史。均签署了知情同意书。

1.2 方法

所有志愿者分别进行视觉及听觉两种ERP刺激模式。均采用经典的Odball范式。所有实验都需在ERP多功能实验舱中进行以排除电磁、声音等干扰。打开实验舱的供氧及排风系统保证被试者的需氧量。实验开始后志愿者被要求静坐于电脑显示器前。每次正式试验开始前都会进行1分钟的预实验使志愿者了解、熟悉整个实验流程。视觉刺激P300实验开始前志愿者会被提示盯着屏幕中央,会出现两种数字2或者8,随机呈现,当出现小概率数字2时点击鼠标左键。同样,听觉刺激P300实验开始前会被提示盯着屏幕中央的红色的“+”,耳机中会有人读数字2或者8,当听见小概率数字2时点击鼠标左键。

1.3 统计处理

使用Neroscan 64导脑电采集系统进行数据的采集,整个实验进程中工作人员的操作均在实验舱外进行,尽量减少对志愿者的脑电干扰。电极位置按照国际脑电图协会的10-20系统进行排布。采样率调整到1000HZ。电阻需降低到5KΩ以下。以两耳乳突位置作为参考电极,尽量避开血管部位防止引入心电。左眼上下1cm、左右眼外侧1cm总共放置4个电极用以排除眼电。数据处理过程中需融合行为数据,只叠加平均应答正确的数据。最后得到FZ、CZ、PZ3个电极的数据[9]。计量资料以(¯x ±s)表示,最终使用SPSS 17.0对数据进行重复测量方差分析,以P＜0.05具有统计学意义,并对所有志愿者的数据进行叠加平均得到组平均数据。

2 结果

2.1 视觉性P300及其相关电位的测定结果

视觉性P1、N1、P2、N2、P300的波幅分别为(0.48±1.19)μν、(-2.63±1.75)μν、(3.49±2.82)μν、(-3.62±2.73)μν、(6.10±3.35)μν,潜伏期为(47.47±31.51)ms、(103.52±38.45)ms、(185.79±38.92) ms、(268.17±30.54)ms、(370.52±26.69)ms。P1波幅和潜伏期的性别和电极部位主效应均不明显(P＞0.05),也均无效互作用(P＞0.05)。N1波幅的性别主效应显著(F=6.54,P=0.01),男性波幅低于女性(-2.15±1.26、-3.08±2.03μν,P＜0.05);但潜伏期的性别和电极部位主效应不明显(P＞0.05),也均无交互作用(P＞0.05)。P2波幅的电极部位主效应显著(F=3.51,P=0.04),以FZ电极部位的波幅最高(P=0.01);但P2潜伏期的性别和电极部位主效应均不明显(P＞0.05),且均无交互作用(P＞0.05)。N2波幅和潜伏期的性别和电极部位主效应均不明显(P＞0.05),也无交互作用。P300波幅的性别主效应显著(F=11.43,P= 0.00),男性波幅明显低于女性(4.90±2.67、7.23± 3.54μν,P＜0.01),但交互作用不明显(P＞0.05); P300潜伏期的性别主效应显著(F=7.40,P= 0.008),男性明显大于女性(378.29±29.67、363.27 ±21.46 ms,P＜0.01),但交互作用不明显(P＞0.05)。

图1 不同刺激形式诱发的ERP主要相关电位的总平均图和脑电地形

2.2 听觉性P300及其相关电位的测定结果

听觉性P1、N1、P2、N2、P300的波幅分别为(0.98±1.28)μν、(-6.24±2.32)μν、(3.50±2.17)μν、(-1.75±2.05)μν、(6.11±2.91)μν,潜伏期为(63.66 ±26.16)ms、(147.55±11.91)ms、(233.62±18.46) ms、(304.95±36.22)ms、(403.09±32.27)ms。P1波幅和潜伏期的性别主效应均显著(F=5.44、22.45,P=0.02、0.00),男性的波幅高于女性(1.30± 1.18、0.68±1.31μν,P=0.02),但男性潜伏期大于女性(76.17±15.92、51.98±28.51 ms,P=0.00),交互作用均不明显(P＞0.05)。N1波幅的性别和电极部位主效应均显著(F=4.50、17.85,P=0.04、0.00),男性的波幅低于女性(-5.78±2.03、-6.67± 2.51μν,P=0.04),以PZ电极部位波幅最高(P＜0.01),无明显交互作用(P＞0.05);潜伏期的性别主效应显著(F=11.24,P=0.00),男性潜伏期长于女性(151.79±10.96,143.60±11.50),电极部位主效应不明显(P＞0.05),且均无交互作用(P＞0.05)。P2波幅的电极部位主效应明显(F=17.64,P= 0.00),以FZ电极部位波幅最高(P=0.00);但P2潜伏期的性别和电极部位主效应均不明显(P＞0.05),且均无交互作用(P＞0.05)。N2波幅的性别主效应显著(F=14.57,P=0.00),男性明显高于女性(-2.56±2.04、-1.00±1.77μν,P=0.00),但交互作用不明显(P＞0.05);然而,潜伏期的性别和电极部位主效应不明显(P＞0.05),也均无交互作用(P＞0.05)。P300波幅和潜伏期在性别和电极部位的主效应均不明显(P＞0.05),交互作用不明显(P＞0.05)。

表1 视觉和听觉事件相关电位P300主要相关电位波幅的测定分析结果(μv,±s)

注:*P＜0.05,**P＜0.01,下同

电极 P100听觉视觉 N100听觉视觉 P200听觉视觉 N200听觉视觉 P300听觉视觉FZ 1.28±1.46 0.58±1.26** -7.45±2.07-2.37±1.18** 4.68±2.10 4.30±2.41 -1.68±2.07-3.79±2.26** 6.16±2.87 5.89±3.20 CZ 1.10±1.21 0.55±1.30** -6.74±2.11-2.37±1.58** 3.92±2.01 3.75±2.98 -2.16±2.39-4.35±3.04** 6.24±3.14 5.96±3.69 PZ 0.60±1.08 0.32±0.99** -4.52±1.73-3.16±2.26** 1.90±1.26 2.43±2.81 -1.42±1.62-2.72±2.67** 6.11±2.91 6.46±3.21

表2 视觉和听觉事件相关电位P300主要相关电位潜伏期的测定分析结果(ms,±s)

电极 P100听觉视觉 N100听觉视觉 P200听觉视觉 N200听觉视觉 P300听觉视觉FZ 65.03±23.02 44.23±40.12** 147.00±9.27 100.10±37.03** 234.07±17.58 181.52±43.20** 311.24±36.02 273.21±36.29** 401.21±33.37 375.24±22.73**CZ 63.14±26.84 48.54±35.34** 148.17±16.45 102.17±37.18** 232.07±16.65 183.97±36.81** 305.59±31.95 267.69±30.45** 404.72±33.48 372.83±28.84**PZ 60.79±29.14 49.72±38.22** 147.48±16.45 108.28±41.84** 234.72±21.37 191.90±37.01** 298.03±40.26 263.62±23.94** 403.34±30.95 363.48±27.56**

表3 不同刺激类型诱发的脑事件相关电位的波幅和潜伏期的分析结果(±s)

刺激方式 P100波幅潜伏期 N100波幅潜伏期 P200波幅潜伏期 N200波幅潜伏期 P300波幅潜伏期视觉0.48±1.19 47.47±31.51-2.63±1.75 103.52±38.45 3.49±2.82 185.79±38.92-3.62±2.73 268.17±30.54 6.10±3.35 370.52±26.69听觉0.98±1.28 63.66±26.16-6.24±2.32 147.55±11.91 3.50±2.17 233.62±18.46-1.75±2.05 304.95±36.22 6.11±2.91 403.09±32.27 F 7.34 21.39 170.4 101.32 0 106.94 26.55 51.35 0 51.67 P 0.01 0 0 0 0.95 0 0 0 0.99 0

2.3 视觉与听觉性P300相关电位的分析结果

P1波幅和潜伏期的视听刺激类型主效应均明显(F=7.34,21.39;P=0.01),听觉性P1的波幅和潜伏期均明显大于视觉P1(F=7.05,20.45;P= 0.01)。N1波幅和潜伏期的视听刺激类型主效应也均明显(F=170.40,101.32;P=0.00),听觉N1波幅和潜伏期均明显高于视觉N1(F=133.82, 104.12;P=0.00)。P2波幅的视听刺激类型主效应不明显(F=0.00,P=0.95),但P2潜伏期的视听刺激类型主效应明显(F=106.94,P=0.00),听觉P2潜伏期明显大于视觉P2(F=107.26,P=0.00)。N2波幅和潜伏期的视听刺激类型主效应均明显(F =26.55,51.35;P=0.00),听觉N2波幅明显低于视觉N2波幅(F=26.00,P=0.00),但听觉N2潜伏期明显大于视觉N2(F=52.43,P=0.00)。P300波幅的视听刺激类型主效应不明显(F=0.04,P= 0.96),听觉P300波幅与视觉P300无差异(F= 0.00,P=0.989);但P300潜伏期的视听刺激类型主效应明显(F=51.67,P=0.00),听觉P3潜伏期明显大于视觉P3潜伏期(F=52.64,P=0.00)。

3 讨论

研究结果显示,在听觉刺激引发的P1、N1、P2等3种早期外源性脑诱发电位成分中,P1的潜伏期和波幅均明显受被试者的性别等生理因素的影响,在男性的P1潜伏期比女性要长,但男性的波幅则高于女性,说明在成年男性虽然大脑感知听觉刺激目标的速度比女性慢,但其产生的感知强度要比女性强。在相继产生的N1成分潜伏期和波幅也均与性别有关,但电极部位仅影响波幅;而P2电位的潜伏期和波幅均不受被试者性别的影响,电极部位也仅影响波幅,这提示听觉脑诱发电位的早期外源性感知电位成分无论是潜伏期还是波幅明显受到性别和记录电极部位等多种因素的影响,而且对于不同电位成分的影响特征具有多变性,需要对于结果进行多方面的校正,明显增加了分析难度[10]。然而,在听觉刺激引起的N2和P300等脑的内源性认知电位成分中,N2的潜伏期不受性别和电极部位的影响,仅其产生的波幅明显与被试者的性别有关,男性明显高于女性;P300的波幅和潜伏期均不受被试者的性别和电极部位的影响。因此,听觉诱发电位产生的N2和P300等中晚期的内源性认知电位成分受到性别等生理因素和电极部位等外源性因素的影响较小,其结果的稳定性相对较高[11]。

然而,在视觉刺激引发的P300等相关电位中, P1、N1、P2等3个外源性早期感知电位成分中的P1波幅和潜伏期均不受被试者的性别和电极部位的影响;N1和P2的潜伏期也不受这些因素的影响,仅N1的波幅与性别和P2的波幅与电极部位有关系,在女性N1的波幅更高,P2的波幅受到记录电极部位的影响,以FZ电极部位P2的波幅最高。因此,脑视觉诱发电位的早期外源性成分受性别和记录电极部位等因素的影响程度明显少于听觉诱发电位,影响其结果的混杂因素较少,检测结果的分析较容易和准确性更高[12],因此视觉诱发电位产生的P1、N1、P2等早期外源性感知电位成分受到性别等生理因素和电极部位等外源性因素的影响较小,其结果的稳定性高[13]。在内源性认知电位成分中,虽然N2的波幅和潜伏期不受性别和电极部位的影响,但P300的潜伏期和波幅均与被试者的性别有关,男性的潜伏期比女性长和波幅比女性低。因此,在视觉认知电位P300受性别等生理因素的影响较大,检测结果的影响因素较多,结果的稳定性较差,临床检测结果的分析难度较大[14]。

当我们对于听觉和视觉诱发电位进行对比分析发现,视觉性P1、N1、P2这些早期外源性脑感知电位成分的潜伏期均明显小于听觉性P1、N1、P2电位,P1和N1的波幅也明显低于听觉性P1、N1,说明视觉性P300的早期外源性脑感知电位反应成分虽然比听觉性P300反应快捷,结果的稳定性也较好,但激活脑中枢反应的强度比听觉要弱[15]。然而,视觉刺激引起的N2、P300这些晚期内源性脑认知电位成分不但潜伏期明显小于听觉性N2和P300,而且视觉性N2的波幅也明显高于听觉性N2,同时视觉性P300的波幅与听觉性P300也没有差异,从而提示视觉诱发的N2和P300等晚期内源性脑认知电位虽然结果的稳定性相对较差,但要比听觉敏感而且激活脑中枢的强度也更高,因此视觉性脑P300认知电位是临床评价和分析大脑的认知功能状态的重要指标[16]。

由此可见,同时检测视觉和听觉P300相关电位,不但能够避免听觉诱发电位早期外源性感知电位的影响因素多和结果稳定性差,P300等晚期内源性认知电位虽然相对稳定,但波幅较低和波形分化差;同时,还能避免视觉诱发电位早期外源性脑感知电位虽然结果较稳定但波幅低和波形分化差以及晚期内源性认知电位稳定性较差等缺点。因此,综合分析视觉和听觉P300相关电位对于评价大脑的认知功能具有非常重要的临床意义。

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Clinical Electrophysiological Characteristics of P300 Series of Auditory and Visual Cognitive Potentials

ZHANG Pingshu,KONG Xianghui,YUAN Xiaodong,et al
Department of Neurology,Affiliated Kailuan General Hospital of North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China

Objective:To provide evidence for the clinical evaluation of brain cognitive function by studying the P300 series of visual and auditory event related potentials and their clinical electrophysiological characteristics.Methods:First,using the classic Odball P300 stimulus paradigm to perform visual and auditory stimuli in 29 volunteers. Then,Using 64-channel ERP data acquisition and analysis system to make data acquisition and off-line analysis. Finally,using the SPSS 17.0 to make statistical analysis of the data obtained.Results:Auditory P1 amplitudes and latency showed significant main effects of genders(F=5.44,22.45;P＜0.05);Auditory N1 amplitudes showed significant main effects of genders and electrode sites(F=4.50,17.85;P＜0.05);Auditory P2 amplitudes showed significant main effects of electrode sites(F=17.64,P＜0.05).But,in visual P1,N1,P2 amplitudes and latency,only P2 amplitudes showed significant main effects of electrode sites(F=3.51,P＜0.05).The latency of visual P1,N1 and P2 was significantly shorter than the latency of auditory P1,N1 and P2(F=20.45,104.12,107.26;P＜0.001);The amplitudes of visual P1 and N1 was significantly lower than the amplitudes of auditory P1 and N1(F=7.05,133.82;P＜0.05).The latency of auditory N2 and P300 was significantly longer than the latency of visual N2 and P300(F= 52.43,52.64;P＜0.001).The amplitudes of visual N2 was significantly higher than the amplitudes of auditory N2(F =26.00,P＜0.001).But there was no difference in the amplitudes of visual P300 and auditory P300(P＞0.05).Conclusion:Auditory evoked potentials have the following disadvantages:There are many factors that affect the exogenous perception potentials of the early stage.P300 and other advanced endogenous cognitive potentials are relatively stable,but their amplitudes are relatively low.As for visual evoked potentials,exogenous perception potentials of the early stage have a relatively stable result but low amplitudes,but visual advanced endogenous cognitive potentialshave advantages of high amplitudes and good polarization of waveforms.Therefore,it can be more accurate to evaluate the cognitive function of the brain by the simultaneous detection of visual and auditory P300.

Visual evoked potentials;Auditory evoked potentials;P300 potencials;Brai cognitve function;Exogenous perception potentials;Endogenous cognitne potentias

R395.1

1005-1252(2017)01-0016-05

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河北省医学适用技术跟踪项目(编号:G2015075)