急性高原低氧环境对不同情绪状态脑电功率的影响*

陈 甄， 张广波， 周 迪， 成 祥， 朱玲玲， 范 明,， 王笃明△， 赵永岐,△

(1. 浙江理工大学， 杭州 310018； 2. 首都医科大学脑重大疾病研究中心， 北京脑重大疾病研究院， 北京 100069； 3. 军事科学院军事医学研究院军事认知与脑科学研究所， 北京 100850)

高原地区自然环境恶劣，对急进高原人群生理、心理功能会产生明显影响[1]。以往的研究显示，高原环境中的低氧低压、干燥低温等因素都会影响人体包括感知觉、注意、记忆和情绪等在内的认知功能及作业能力[2，3]。情绪情感作为高级心理过程对氧气环境的变化更为敏感，对于急进高原人群来说，高原低氧环境对情绪方面的影响十分明显。研究表明，高原低氧环境中情绪情感的变化是在不知不觉中发生的，在海拔4 000 m时情绪出现明显的变化，如兴奋、冷漠等，且随着海拔升高，情绪失控现象会更趋严重，具有一定危险性[4]。通过纵向动态追踪测评发现高海拔环境对负性情绪影响更大，波动更强[5]。

以往高原低氧环境对急进高原人群情绪影响的相关研究多为主观自评问卷调查，所用工具为正负性情绪量表[5]、焦虑自评量表、军人心理应激自评问卷[6]、90项症状清单[7]等主观自评量表，没有采用相应的客观生理指标。脑电测量不易受主观意识控制，又与人脑的不同情绪状态联系密切。脑电功率在一定程度上能够准确反映相关区域的脑功能，因此与主观问卷调查相比，脑电测量更能客观地显示个体的真实情绪表达以及氧气环境对不同情绪状态的影响。

情绪诱发范式是心理学中常用的通过相关方法诱导被试产生情绪状态的手段，其中最常用的图片刺激诱发法，通过向被试展示带有情绪情感意味的图片刺激材料，能够从外部诱导其产生不同情绪[8]。在不同情绪的分类上，情绪维度模型根据效价 (valence) 与唤醒度 (arousal)二维度可以将情绪分为四类：低效价低唤醒(low valence and low arousal, LVLA)、高效价低唤醒(high valence and low arousal, HVLA)、低效价高唤醒(low valence and high arousal, LVHA)、高效价高唤醒(high valence and high arousal, HVHA)。其中效价维度即愉悦度，表示个体正负性情绪分离激活程度，唤醒度表示个体的机体能量在应对当前状态时能够被激活的程度。若以典型情绪的名称进行对应，LVLA、HVLA、LVHA、HVHA分别近似于沮丧、轻松、恐惧、快乐这四类情绪。

本研究基于常压低氧舱模拟4 300 m高原低氧环境，10 h 后通过情绪诱发范式诱导男性被试产生不同情绪，观察高原低氧环境及不同情绪状态下脑电各频段功率的变化，旨在探讨急性高原低氧环境对不同情绪状态以及相关区域脑功能的影响，

1 对象与方法

1.1 试验对象

试验对象为12名健康男性，从北京各高校招募，本科以上文化程度。年龄在20岁～25岁。所有被试无色盲色弱，视力或矫正视力正常，无特殊病史，无心理疾病和精神障碍史，近期无服用对神经系统有影响或损害作用的药物。为减小左右脑优势差异的影响，按照惯例，全部选择右利手被试。试验开始前，被试均被告知试验目的及试验流程并填写了知情同意书。

1.2 试验设计和变量

本试验的设计是双因素被试内设计(2×4)。

自变量：氧气环境(2个水平：常氧、低氧)；情绪状态(4个水平：LVLA、HVLA、LVHA、HVHA)。其中，低氧环境由常压氧舱模拟海拔高度为4 300 m，舱内氧气浓度：12%～12.5%O2，持续时间10 h 以上。

因变量：脑电信号各频段功率。

1.3 试验材料

本研究采用的试验材料从中国化的国际情绪图片系统(international affective picture system，IAPS)中筛选得到[9]，该系统的评估体系基于情绪二维模型建立。根据该系统制定的中国大陆男性 IAPS 图片评分和实际的情绪诱发经验，从系统的两维度极值开始依次往下挑选出代表LVLA、HVLA、LVHA、HVHA四种情绪状态的图片刺激。每种情绪图片各15 张，共60张。它们的评分均值和标准差分别是LVLA(效价：2.88±0.62；唤醒度：4.97±0.69) 、HVLA(效价：6.72±0.49；唤醒度： 3.77±0.97)、LVHA(效价：2.44±1.04；唤醒度：6.54±0.60) 、HVHA(效价：7.26±0.44；唤醒度： 5.80±0.66) 。

1.4 试验过程

试验在航空医学研究所的常压低氧舱内进行，舱内配有4张供被试进行过夜睡眠的小床。

试验分为3个阶段，第1阶段为Day1-22：00至 Day2-8：00，被试在氧舱内进行整晚适应性睡眠以适应实验室环境(常氧环境下)；第2阶段为Day2-22：00至 Day3-8：00，晚22时起被试在氧舱内进行过夜睡眠，在早8时起开始轮流进行情绪诱发同时采集脑电信号(常氧环境下)；第3阶段为Day3-22：00至 Day4-8：00，通过常氧氧舱对4 300 m的高原环境进行模拟，晚22时起被试在舱内进行过夜睡眠并通过睡眠床垫进行状态监测，早8时起开始轮流进行情绪诱发同时采集脑电信号(低氧环境下)。

其中，情绪诱发程序由E-Prime2.0编制并在DEL Latitude 5480笔记本上运行呈现。情绪诱发程序一共包含四个block(415个trials)，每个block代表一类情绪。在一个block的试验流程中，首先呈现情绪图片6 s，然后呈现2 s的注视点，循环直到15张同一类型情绪图片播放完，15张图片呈现顺序随机。15张图片呈现完成之后，被试需要填写一个自我评估表，在效价和唤醒度两个维度上进行评分，分值在 1-9 之间。一个block结束之后是60 s的休息时间，以平复被试刚才诱发出来的情绪，随后进入下一个block情绪的诱发。有研究表明，情绪刺激较为强烈的图片(唤醒度高的图片)所诱发出来的情绪状态会掩盖后面情绪刺激不强烈的图片(唤醒度低的图片)所诱发出来的情绪状态[10]，所以在试验设计时，我们按照LVLA、HVLA、LVHA、HVHA的顺序播放四个block的图片，每个block除了播放图片的情绪类型不一致外，流程是一样的。

1.5 脑电数据采集与分析

本研究采用德国 Brain Products(BP)公司的32导脑电采集设备采集被试的脑电信号，电极分布为国际通用的10-20系统。采集数据时，参考电极位于Fz和Cz电极之间，离线分析时转换为TP9 TP10的平均作为参考。接地电极Ground位于Fp1和Fp2电极之间。眼电电极EOG置于右眼下方约1.5 cm处。采样率为250 Hz，记录带宽为0 Hz～100 Hz，采集过程中所有电极的电阻保持在5 kΩ以下。

脑电功率谱分析：采用Matlab R2013b软件对低氧前后不同情绪状态下的脑电信号进行数据预处理及功率谱分析。(1)预处理：剔除EOG眼电电极之后，使用TP9 TP10电极对数据进行重参考，之后进行0.05 Hz～40 Hz的带通滤波及50 Hz陷波，对不同情绪状态下的脑电信号进行-1到2 S的分段并使用刺激前1 000 ms的信号进行基线校正，手动替换坏导及剔除伪迹明显的坏段。使用独立主成分分析(ICA)并剔除眼动伪迹。(2)功率谱分析：将不同情绪分段进行剖分，通过快速傅里叶变换(FFT)提取不同情绪状态下的脑电功率。

为了最直观地了解不同氧气环境对大脑活动的影响，绘制全脑alpha波的脑电拓扑图。同时，结合以往研究，不同极性的情绪状态总是在额叶表现出差异，额叶皮层在情绪加工中有重要作用，它与其他脑区的功能联系是参与高级情绪加工的基础[12]，因此对额叶部分进行重点分析。

1.6 统计学处理

使用SPSS软件对被试所在氧气环境(常氧、低氧)×情绪类型(LVLA、HVLA、LVHA、HVHA)的额叶(F3FzF4)5个频段(delta、theta、alpha、beta、gamma)脑电功率进行两因素重复测量方差分析。使用Shapiro-Wilk检验判断是否符合正态分布，采用学生化残差分析判断是否有异常值。对情绪类型及交互项氧气环境×情绪类型进行Mauchly’s球形假设检验，当不符合球形检验时，采用Greenhouse-Geisser进行校正。两两比较采用Bonferroni。

2 结果

2.1 常氧、急性低氧环境中不同情绪状态的脑电功率分析

为了直观地了解脑活动状态，本研究通过快速傅里叶变换(FFT)提取低氧前后不同情绪状态下的脑电功率，因为alpha是人在清醒安静状态下的主要节律。alpha波是人在清醒安静状态下的主要节律，其功率值与大脑的活动呈负相关，与其他频段alpha波的活动相比更能反映大脑的功能状态[11]，通过分析额叶(F3FzF4)的脑电功率情况，可以了解不同氧气环境及不同情绪状态下大脑活动的变化[12]。

因此，绘制alpha波的全脑地形图如图1所示，四类情绪状态下alpha波主要分布在额叶、顶叶、枕叶。对低氧前后各电极对进行t检验。结果显示，急性低氧后，四类情绪状态下alpha波都出现了增强，具有显著差异的区域主要集中在额叶、顶叶以及部分颞叶。高效价低唤醒(HVLA)情绪状态下(图1B)alpha波全脑分布差异范围最小。

Fig. 1 Brain topographic maps of alpha band power in different emotional states before and after hypoxia

额叶(F3FzF4)低氧前、后四类不同情绪状态的功率谱如图2所示，统计分析结果见2.2节。

Fig. 2 Power spectrum of different emotional states in frontal lobe under normal oxygen and hypoxia.

2.2 额叶各频段功率统计分析结果

采用两因素重复测量方差分析，判断氧气环境(常氧、低氧)在不同情绪状态下(LVLA、HVLA、LVHA、HVHA)对被试额叶(F3FzF4)脑电各频段功率(delta、theta、alpha、beta、gamma)的影响。经Shapiro-Wilk检验，各组数据服从正态分布(P> 0.05)，通过学生化残差是否超过±3倍的标准差判断，各组数据无异常值。

在delta和beta频段，由表1可见氧气环境和情绪类型的交互作用对其功率的影响无统计学意义，情绪类型主效应不显著，氧气环境主效应显著。氧气环境成对比较结果显示，低氧环境中研究对象的delta频段功率比常氧环境中的升高了0.353(95%置信区间：0.138-0.568) (P<0.01)。低氧环境中beta频段功率比常氧环境中的升高了0.168(95%置信区间：0.047-0.289) (P<0.05) 。

Tab. 1 Results of two-factor repeated measurement analysis of variance in the five frequency bands in the frontal lobe(n=12)

在theta和alpha频段，氧气环境和情绪类型的交互作用对theta、alpha频段功率的影响具有统计学意义，theta：F(3,33)= 5.408,P=0.004；alpha：F(3,33)= 3.231,P=0.035。因此在这两个频段上分别对被试内因素氧气环境进行单独效应的检验。结果如表2所示，低氧环境下除高效价低唤醒情绪状态外theta、alpha频段功率皆出现了增强，差异具有统计学意义。

Tab. 2 Tests of within subject effects: oxygen environment in thetaalpha power n=12)

在gamma频段，氧气环境和情绪类型的交互作用、氧气环境以及情绪类型对该频段功率的影响都不具有显著性差异。

3 讨论

脑电按照频率从低到高划分为delta(1～4 Hz)、theta(5～7 Hz)、alpha(8～13 Hz)、beta(14～30 Hz)、gamma(>30 Hz)五个频段。脑电功率的大小表示脑电活动的强弱，脑电功率越大脑电活动越强。频谱分析通过快速傅立叶变换(FFT)将随时间变化的波幅转换为随频率变化的脑电功率谱图。本研究探讨了急性低氧前、后，四类情绪状态下alpha波全脑分布情况。脑电alpha频段是大脑在放松时的主要节律，研究认为，alpha 波的活动性对氧气变化十分敏感，alpha波的变化是低氧导致中枢神经系统功能异常的结果[13]。本研究中，急性低氧10 h后，各情绪状态下alpha波在额叶、顶叶以及部分颞叶的位置出现激活现象，高效价低唤醒情绪状态下alpha波全脑分布差异范围最小。

在以往的研究中，不同极性的情绪状态总是在额叶表现出差异。Ahern 和 Schwartz[14]的研究发现，积极情绪状态与左侧前额的活动性相关，而消极情绪状态往往伴随着更大的右侧额叶活动。同时根据alpha波低氧前后t检验的结果发现，其分布差异主要集中在额叶。因此，对额区(F3FzF4)各频段进行重复测量方差分析。本研究中，不同情绪状态下额区各频段都出现了增强。

统计结果显示，delta和beta频段的增强，主要受氧气环境变化的影响。与以往的研究结果一致，delta频段在模拟低氧环境的试验中功率增强，但在现实高原环境中减弱[15]。有研究者认为，这种差异与被试进入低氧环境的速度有关，并推测慢波delta对氧气的变化更为敏感[16]。多数研究认为，低氧环境使静息态脑电beta波活动增强[13]，与本文研究结果一致。Feddersenz[17]在海拔3 440 m时发现，急性高原病组beta波显著增强，而未患急性高原病组在海拔5 050 m时beta波增强显著。beta波活动与注意有关，其增强是皮层兴奋、过度警觉的表现。因此，人在低氧环境中常出现头痛、多言、失眠，难以恢复至安静的休息状态[16]。

低氧环境中，经过情绪诱发后伴随着更大的alpha与theta波激活。以往研究显示，随着海拔上升，静息态脑电中alpha波活动减弱[18]，而随着低氧时间的延长，完成基本习服后，alpha波相对功率则出现增强[13]。重复测量方差分析的结果表明，alpha、theta波的变化不只与氧气环境有关，还与情绪状态有关。以往的研究认为，脑电alpha波的功率与情绪极性以及强度有关[19]。本研究中在低氧之后，alpha波的变化主要集中在额叶部分，而高效价低唤醒状态下alpha波全脑分布差异范围最小。氧气单独因素检验也显示，低氧前后高效价低唤醒情绪状态下，额叶alpha波及theta波的变化差异不显著。据报道，机体对负性情绪信息的加工存在特殊的敏感性，与正、中性情绪信息相比，负性情绪信息总是优先被认知加工[20]。与本研究观察到的现象一致，负性加工偏向在低氧环境中同样适用，个体在面对负性刺激诱发时，alpha波和theta波产生的变化更大。

本研究中采用脑电测量的手段发现，在诱发的四类情绪状态下，氧气环境变化对大脑活动的影响差异区域主要集中在额叶、顶叶以及部分颞叶；对额叶区域进行脑电全频段分析发现，低效价低唤醒、低效价高唤醒、高效价高唤醒三类情绪在低氧前后的各频段脑电活动具有显著差异，氧气环境对高效价低唤醒情绪状态的影响最不明显，提示低氧环境对相关区域脑功能产生显著影响，可能引起包括情绪加工在内的大脑高级功能改变。进一步研究可以从不同情绪状态与耐氧能力的相关性入手，结合脑电反应进行更多的急性高原反应症状学调查及更多客观指标以显示人体情绪状态变化。

致谢：感谢南京大学周仁来教授惠赠的中国化的国际情绪图片系统。