不同年龄阶段健康成年人群的非线性脑电分析

柯莎，廖波，杨飞，王寅旭

(川北医学院附属医院，1.神经内科，2.泌尿外科，四川 南充 637000)

人体头皮表面描记的脑电图(EEG)主要成分是大脑皮层锥体细胞顶树突电现象的总和，可反映大脑皮层功能状态。从1929年Hans Bergerd首次记录下并正确描述人的脑电活动以来[1]，脑电信号分析法不断发展，随着非线性动力学的发展，越来越多的研究采用非线性脑电分析去探索人体不同状态下的大脑皮层功能情况[2]，但鲜有研究报道健康人群的脑电非线性特点。因此，本实验拟观察不同年龄阶段成年健康人群的脑电非线性参数变化，以期为大脑皮层功能的相关研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2017年9月至2020年10月纳入川北医学院附属医院实习学生、工作人员、退休人员、神经内科住院患者家属及体检人群为研究对象。纳入标准：(1)年龄18 ～89岁，其中青年组18～44岁，中年组45～59岁，年青老年组60～74岁，老年组75～89岁[3]；(2)年度体格检查健康；(3)无认知功能障碍，简易智力状态检查量表(mini-mental state examination，MMSE)评分[4]及福州版MoCA[5]均达相应正常标准；(4)脑电信号采集前1个月之内未服用影响大脑皮层功能的药物，采集前1周内无感冒头痛病史，采集前1周睡眠良好；(5)右利手。排除标准：既往神经精神疾病史，包括失眠患者也排除在外。分组情况：(1)青年组年龄18～44岁，平均(26±7)岁，均为大专及以上文化程度，共38人；(2)中年组年龄45～58岁，平均(51±4)岁，其中高中及中专文化水平23人，大专及以上文化水平18人；(3)年轻老年组年龄 60～74岁，平均(65±4)岁，其中大专及以上文化程度15人，高中及中专文化程度20人，初中文化程度4人；(4)老年组年龄 75～85岁，平均(80±3)岁，其中大专及以上文化程度17人，高中及中专文化程度15人，初中文化程度8人。四组研究对象的性别比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

1.2 检测仪器与电极安置

脑电放大器采用四川智能电子实业公司生产的ZN16E型无线高频脑电信号放大器。放大器通频带为0.3～100 Hz，采样率为500 Hz，模/数转换位数12位，使用该公司配套联想便携式计算机、配套银质盘状电极及导电膏作为脑电信号采集和记录设备。脑电信号的采集按照国际标准导联10～20系统在受试者头皮上安置电极，奇数代表左侧，偶数表示右侧，参考电极为左右耳垂，导联位置、名称与代号。见表1。

表1 部位、导联名称、代号、电极标号

1.3 检测方法

于2019年11月至2021年2月进行原始脑电采集，所有受试者均知情同意，检查前24 h禁食影响脑电活动的药物及食物，采集前正常进餐。

检查在安静的屏蔽室内进行，关闭房内电设备，为避免来自采样电路和记录设备中的工频干扰，采集中全程开启陷波(高性能50 Hz陷波器)，以滤除工频干扰。使用一次性酒精棉球对患者头皮进行两次脱脂清洁后进行EEG波形观察及原始脑电信号采集，每一名对象的脑电波形观察时间均为30 min。

常规脑电分析(线性)：参照Hockzday标准EEG5级分类法[6](为便于分析稍作改动)：Ⅰ级：规律α节律伴少量θ波，有反应性，或伴δ波；Ⅱ级：以θ节律为主，或伴少量α、δ波；Ⅲ级：以δ节律为主，或伴少量θ波；Ⅳ级：以β节律为主，或伴少量δ、θ波；Ⅴ级：弥漫性δ波，间隔着平坦脑波(即暴发—抑制波交替出现)。

非线性脑电分析：所有采集的原始脑电信号均统一使用80 Hz高频滤波，主要为衰减肌电，并因个体因素可取小于1 Hz的低频滤波，主要为衰减伪差，但为防止有效数据的丢失，需谨慎使用低频滤波，本研究仅在2个经验丰富的专业脑电技师都确定为伪差时，才使用恰当的低频滤波。选取所标记10 min波段中波形平稳、伪差少的60 s进行脑电非线性分析，每种参数取各导联的平均值进行分析，由于受试者两额极易受眼动影响，因此本实验中的平均值是指除去两额极外的平均值，选取所标记10 min波段中波形平稳、伪差少的60 s进行分析，选择参数为复杂度(complexity， Cx)和近似熵(approximate entropy，ApEn)。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 常规脑电分析

四组人群的常规脑电分级构成比比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。

表2 不同年龄阶段健康成年人群的常规脑电分析[n(%)]

2.2 非线性脑电分析

对所采集的脑电信号进行非线性分析结果为：青年、中年、年轻老年和老年组Cx最小值分别为0.39、0.39、0.35、0.28，Cx最大值分别为0.62、0.63、0.62、0.51；青年、中年、年轻老年和老年组ApEn最小值分别为0.71、0.71、0.70、0.54；ApEn最大分别为1.02、1.13、1.10、0.89，四组受试者的Cx和ApEn的全脑区及各脑区之间的平均数值见表3。为排除简单数据平均化可能掩盖脑电信号在不同脑区的差异性，故同时比较四组受试者全脑区的Cx 和ApEn均值以及不同脑区间Cx和ApEn值的差异性。老年组的Cx和ApEn值与其它三组两两比较，在全脑平均值和各脑区之间均有统计学差异(P<0.05)，而其余三组两两相比无统计学差异(P>0.05)。见表4及表5。

表3 不同年龄阶段健康成年人群的全脑平均Cx和ApEn值

表4 不同年龄阶段健康成年人群的各脑区Cx值

表5 不同年龄阶段健康成年人群的各脑区ApEn值

3 讨论

脑电信号是由非线性耦连、交互作用的神经细胞群产生，其本质上是一个非线性确定性过程，不仅整个大脑表现出非线性，即便单个神经元也存在着阈值和饱和现象而表现出非线性[7]，并且脑电信号所提供的神经网络功能信息仅依赖线性分析(例如常规EEG的频谱分析技术)是无法获得的[8]。本研究采用常规线性及非线性分析两种方法对不同年龄阶段的健康成年人群进行脑电信号分析，结果显示，使用常规的线性脑电分析法，四组受试者的脑电信号两两对比均无统计学意义。但是，当本研究将脑电信号进行非线性分析后，发现老年人群和其他三组受试者的脑电信号无论是全脑平均还是各个脑区均有显著性差异，可见非线性脑电分析对皮层功能状态的变化的捕捉更精准。近年来，脑电非线性分析已越来越泛地应用于意识障碍、癫痫、一氧化碳中毒、认知功能障碍等神经疾病[9]，但是若疾病已经发展到有明确神经精神系统表现时，其皮层变化是较为显著的，即便是常规线性分析也能够发现异常，而鲜有研究聚焦于健康成年人群的脑电信号的非线性特点，本研究用非线性分析去研究健康人群的脑电，具有前瞻性。

本研究还发现，老年健康人群全脑和各脑区的非线性分析结果与其他三组受试者之间的差异较明显，其中以额区(F3、F4、F7及F8)的差异最为显著。老年人的脑容量大约减少6%，其中额叶和纹状体分别减少10%～17%和8%，而顶、枕和颞叶的容积则大致减少1%，额叶对年老最为敏感，老年人的额叶血液及代谢较中青年人有显著减退，这一点是与该研究的结果相契合的，可见脑电非线性分析，可定量反映皮层功能，虽然不同年龄健康成年人群的MMSE皆在正常范围，但并不代表健康老年人的皮层功能未下降。

脑电非线性分析参数较多，Cx和ApEn较其他非线性参数更能准确的反映大脑皮层功能[10]，因此在本文中观察指标涉及Cx 、ApEn两种非线性参数。Cx指大脑神经元处理信息活动的有序程度，反映了决定这段EEG序列的信息量大小，其度算法简单、易于实现，而且计算速度快，抗干扰能力强,短时间内即可达到稳定值[11]；ApEn也只需较短的数据就能够估计出较稳定的统计值，有较好的抗干扰和抗噪能力，且描述维数从二维到三维的模式信息，包括了时间模式，有比Cx更加丰富的信息和意义[12]。Cx和ApEn值越高，提示脑电信号越复杂，反映大脑皮层的功能、皮层之间的偶联活动越复杂[13]。本研究中的老年组的Cx和ApEn值较其它三组有统计学差异，且额、侧额的Cx 和ApEn值与其它三组两两相比差异极为显著(P<0.01)，提示脑电非线性分析参数Cx 和ApEn 能敏感且定量地准确反应大脑皮层功能。脑电信号是大脑神经元兴奋性和抑制性突触后电位的总体反映，生理及病理情况表现各异，当大脑发生微妙的变化时，脑电也能出现相应的变化。脑电非线性动力学分析可提供有关神经网络功能及其相互联系的信息和大脑功能活动变化轨迹的实时情况，可更直观准确地捕捉脑电的变化，为大脑皮层功能下降的早期鉴定提供参考依据，为轻度认知功能障碍、抑郁症、睡眠障碍等大脑皮层功能异常疾病的前期干预、早期诊断提供方向。