脑电源定位技术的研究进展

张云淼，董 芳，张士迪，贾少迪，袁 凯，喻大华

（1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古自治区 包头 014010；2.西安电子科技大学，陕西 西安 710126）

脑电图（EEG）是对大脑中大量神经元集群的放电活动在头皮表面进行综合反应的记录，具有很高的时间分辨率，能够在亚毫秒量级中反映神经元集群的放电活动。但是，EEG面临的最大问题是记录的信号不是脑内大量神经元集群信号的直接对应，而是大脑中多个信号发生源在容积传导效应影响下的信号叠加。与MRI等神经影像学方法相比，EEG不能提供高分辨率结构影像，其空间分辨率较低，限制了EEG的分析和应用。为了克服这一缺点，一个可行的方法就是利用测量的EEG信号重建脑内信号发生源的分布模式，即脑电逆问题，也就是脑电源定位技术。解决脑电逆问题的方法分为两大类，主要是参数方法（包括LORETA、sLORETA等）和非参数方法（包括MUSIC、BESA等），而两者之间最主要的区别是是否假设了固定的偶极子数量。在过去几十年中，已经发展了很多非侵入式测量大脑内部活动的技术，其中之一就是利用脑电进行源定位。1949年，Braizier首次提出用等效偶极子作为脑内信号发生源的观点，等效偶极子通过容积传导效应在头皮上产生的电位可以认为是在头皮处测量的脑电信号，这些等效偶极子的位置和方向可以由头皮处脑电信号来估计。1972年，Schneider等人首次利用心电求逆中使用的偶极子定位方法，对脑电进行定量求逆，揭开了脑电逆问题研究的序幕。近年来，脑电源定位技术不仅用于认知神经科学的研究，而且在神经病学、精神病学和精神药理学等临床神经科学中也有重要的应用。文章主要从以下两个方面对脑电源定位技术的应用以及得出的成果进行总结分析。

1 脑电源定位技术在BESA中的研究应用

BESA是一种通过基于多源模型不同源配置将表面信号转换为大脑活动的源定位分析软件，是一种特殊的偶极子拟合模型，能够在一段连续的时间点中假设偶极子具有固定的位置和固定或变化的方向。在体感诱发电位（SEPs）、晚期听觉诱发电位（LAEP）、脑岛认知功能的研究以及癫痫等脑部疾病中，BESA都有相关的应用。研究发现，在体感诱发电位上，通过刺激被试右侧胫神经然后利用BESA的四偶极子模型进行分析，从而发现了四个偶极子的联合活动可以很好地解释胫神经体感诱发电位的头皮分布，偶极子模型有效提高了时间分辨率和空间分辨率。对于在晚期听觉诱发电位的研究，BESA分析了从儿童到青少年不同年龄段的晚期诱发电位，估计了偶极子源活动的峰值潜伏期与振幅，虽然儿童与成年人的晚期听觉诱发电位的偶极子源的数量、位置、方向相似，但是它们之间的活动过程还是有所不同。在发育过程中，潜伏期缩短，振幅降低，并且在青春期，切向偶极子还出现了一个新的成分，它反映了颞平面的发生源，并且与成人相比儿童时期的参数变异性更大。偶极子源分析可以作为研究听觉、知觉功能正常和异常成熟的有用工具。在脑岛的认知功能的研究上，BESA估计了左右脑半球的前脑岛区域与纹外区域的颅内偶极子活动，在GO/NOGO的围棋实验中显示了左侧前脑岛的活动相似，而右侧前脑岛的活动有一定差异。在一项对于复杂部分性癫痫的研究中，通过BESA偶极子源定位方法对复杂部分性癫痫患者的发作间期进行源定位，结果表明BESA对于点状致痫区域的定位精度更高。而在另一项关于难治性癫痫的研究上发现，FDG-PET的空间定位与BESA偶极子源在时间上的准确性结合在一起，可以精准定位致痫灶，极大减少了对于癫痫疾病的诊断时间。BESA在癫痫等脑部疾病的应用上比较广泛，能够快速定位到大脑皮层的发生源，为研究人员提供了极大的便利。在对于神经影像学的相关研究中，BESA的使用还在不断的拓展。几十年以来，在神经学、神经心理学和心理生理学的研究表明，通过在头皮上记录得到的事件相关电位的神经源定位受到了越来越多的关注。

2 脑电源定位技术在sLORETA中的研究应用

sLORETA是一种分布式源定位软件，虽然名为sLORETA，但是它并不是基于LORETA，而是基于标准化电流密度图像的定位方法。它使用最小范数估计（MNE）给出当前密度的估计，可以产生神经元集群电活动的三维图像，并且与神经元集群电活动的强度和方向上具有很大相似性。sLORETA在癫痫、阿尔兹海默病抑郁症等脑部疾病中有很多应用。在一项研究中，为了能够了解儿童失神癫痫（CAE）放电的起源，研究人员使用sLORETA进行分布式源定位，通过采集16名患病儿童获得242个脑电周期，得到相对应的sLORETA图像，其最大电流源密度主要位于额叶，与峰值一致，从而确定儿童失神癫痫放电主要来源来自额叶。在另一项研究中，通过sLORETA研究丙戊酸（VPA）这种抗癫痫药物（AED）对于儿童失神癫痫治疗过程的对比，对17例患者进行非参数统计分析，比较治疗前后频段的电流密度分布。结果表明，delta频段左侧额下回的电流密度差异最大，theta频段左侧额内侧回的电流密度差异最大，alpha频段左额下回的电流密度差异最大，beta频段左侧前扣带回的电流密度差异最大，在抗癫痫药物的治疗期间脑电活动没有出现明显差异。在与阿尔兹海默病（AD）的相关研究中，使用sLORETA来识别受益于胆碱酯酶抑制剂（ChEI）治疗的阿尔兹海默病患者亚组，没有产生反应患者alpha频段和delta频段有明显更高的电流密度，脑电活动位于额叶和顶枕区，在治疗6个月后，只有产生反应的患者beta频段出现了电流密度的增加，脑电活动主要在左侧额叶和颞叶皮质。结果表明，有一组的阿尔兹海默病患者对于胆碱酯酶抑制剂的治疗有更好的反应。在另一项研究中，通过注射东莨菪碱来研究与阿尔兹海默病和轻度认知障碍是否产生类似的区域特异性的脑电活动改变。结果表明，东莨菪碱显著增加了三角洲脑区（双侧中央前回、中央后回、扣带回和中央旁小叶等）的脑电活动，而降低了所有后脑区的alpha频段，东莨菪碱引起脑电活动的区域和频段特异性改变，与阿尔兹海默病和轻度认知障碍观察到的相似。在一项关于静息态脑电的研究中，通过给21名男性静态注射瑞芬太尼和安慰剂并在治疗前和治疗后进行记录，使用sLORETA对delta（1-3.9Hz）、theta（4-7.9 Hz）、alpha（8-12 Hz）、beta1（12.1-18 Hz）和beta2（18.1-30 Hz）频段进行源定位。结果表明，与注射安慰剂相比，注射瑞芬太尼有明显的改变，包括额叶下回、额叶脑岛在内的几个脑区神经元振荡更加强烈，主要局限于额叶、额叶-颞叶、额叶-中央叶，与认知功能有关。sLORETA为了解瑞芬太尼对大脑活动的潜在机制提供了可能性。在一项关于抑郁症的研究中，使用sLORETA对9名健康被试和9名轻度抑郁症患者进行脑电源定位，并且通过t-Test计算眼球运动数据，结果表明轻度抑郁症患者对于负面面部表情关注度较高。从源定位的结果来看theta频段额叶右侧额中回（BA6）活性比较高，表明轻度抑郁症患者更关注负面面部表情，并且颞极存在一定的障碍。一项使用sLORETA观察艾灸治疗慢性下腰痛患者的大脑皮层活动变化的研究中，21例患者其中11例出现了强烈的热敏化反应，并且前额叶、初级躯体感觉、第二躯体感觉和扣带皮质beta频段电流密度显著降低，左侧脑岛alpha2频段电流密度出现升高，而其他没有热敏性的患者未检测到相应的变化。结果表明，皮层振荡活动与艾灸时的热敏化有很大的关联。sLORETA对于脑部疾病应用方面比较广泛，提高了研究人员对于大脑的认知行为和脑区区域的变化理解和认识。

3 总结与展望

综上所述，脑电作为一种非侵入性的测量技术，采集数据简单，携带比较方便，价格相对来说比较便宜，对人体没有危害，在实际生活中得到了广泛的应用。脑电源定位技术能够分析大脑神经元集群的活动，尤其在脑部疾病方面，可以帮助研究者理解大脑内部结构和功能的动态变化，从而提高对于脑部疾病的认识和了解。

此外，脑电源定位技术应当在溯源精度上进行提升和应用思路上进行更新。在提升溯源精度方面上，需要充分考虑生理学对于溯源定位精度的影响，研究表明，在不同物种的大脑结构之间等效电流偶极子存在一个阈值，这个阈值被看作源定位问题的约束条件。除此之外，生理学数据的不同与个体之间的差异都会导致溯源精度的不同。同时，脑电源定位技术也可以与影像学方法进行融合，MRI和fMRI技术可以为脑电溯源问题提供高空间分辨率的大脑结构数据，脑电也可以给影像学提供高时间分辨率，从而更好提升溯源精度。在更新应用思路方面，随着科技的发展，一些新的技术已经成型，脑电源定位得到的源信号可以与新技术进行结合，例如源信号可以作为BCI的控制端，帮助患者进行更好的康复治疗。脑电源定位技术作为一个具有发展前景的技术，对于治疗脑部疾病具有重要的意义，未来可以在神经学、心理生理学、神经影像学等领域得到更加广泛的应用。脑电源定位技术作为一个具有发展前景的技术，对于治疗脑部疾病具有重要的意义，未来可以在神经学、心理生理学、神经影像学等领域得到更加广泛的应用。