作者：张羽 钱志余 李韪韬，张建华
【摘要】 研究α频率(8～13Hz)闪光刺激是否能引起人脑枕区同频率脑电信号的增加。采集15名正常志愿者在平静、光刺激状态下的脑电信号，利用脑地形图、小波分析和功率谱估计的方法对α频率光刺激前后的脑电信号进行处理，将归一化后的数据分为平静-激活组、男女对照组、两个不同电极位置组进行对比分析，对组间信号的差异进行了讨论，并对受试者精神状态的变化进行初步探讨。结果表明：周期性α频率光刺激能引起大脑枕区同频率脑电的显著增加。通过分析实验数据，初步得到了大脑在外部闪光刺激时脑电的变化规律，本实验结果对研究外部刺激对脑电的影响有一定的参考价值。
【关键词】 脑电;光刺激;脑电地形图;小波分析;功率谱估计
Abstract：To discuss whether the α frequency(8～13Hz)visual stimulation can induce the augment of corresponding frequency EEGs in occipital location of the brain. Fifteen healthy volunteers′ EEGs were recorded during silence and visual stimulation respectively. Brain electrical activity mapping(BEAM)、wavelet analysis and power spectral estimation were used to evaluate the brainwave changes due to α frequency visual stimulation contrast to silence status. Normalized data were pided into three groups: silence-stimulation， male-female， two different placements of electrodes， and the differences between every group were discussed. Some elementary steps were carried out to study the volunteers′ mental status. Results showed that periodic α frequency visual stimulation did induce obvious augment of α EEGs in occipital lobe. We obtain the preliminary conclusion about how EEGs changing while periodic visual stimulation on the brain by carefully analyzing of original EEGs. To some extend， the findings deserve the reference value in future studies on what is the influence of external stimulation to EEGs.
Key words：Electroencephalography(EEG);Visual stimulation;Brain electrical activity mapping(BEAM);Wavelet analysis ;Power spectral estimation
1 引 言
德国精神病学家Hans最早引入脑电(electroence
phalogram，EEG)的概念并提出大脑在睡眠、麻醉、缺氧及不同的精神疾病状况下(例如癫痫)其脑波也不一样。针对特殊群体(如癫痫症、注意缺陷/多动障碍患者)的脑电研究得到国内外研究者的高度重视。例如注意缺陷/多动障碍症，儿童患者最常见的脑波异常现象是θ波活动的增加，特别是相对θ波的增多[1-4];成人患者在静息条件下脑波中也有θ波活动异常增加的现象[5-6]。声、光刺激由于其操作简单而被广泛用于外部刺激对大脑信号影响的研究，长时间声、光刺激能引起大脑皮层脑波的变化，特定频率的脑波与人的意识、认知、感觉有关[7-8]，因为该现象中的脑电与“特定”刺激的相关性，使得它携带了关于大脑结构及功能的更多信息，而引起了研究者的广泛关注。
α波是基本的脑波类型之一，当人清醒、身体放松、闭目时在枕区占优势。我们借助脑电仪实时记录志愿者在平静和光刺激状态下的脑电信号，利用脑电地形图、小波分析和功率谱分析方法，分析脑电信号在α频率(8～13 Hz)光刺激条件下的变化情况，以研究α频率光刺激能否消除大脑疲劳，引导人进入放松状态为主要目的，为探索外部刺激对大脑的影响提供参考。
2 对象和方法
2.1 实验对象
本实验共有15名志愿者作为测试样本，其中男志愿者11名、女性志愿者4名，年龄集中在22～25岁之间，平均年龄23.3岁，均为右利手。考虑到光刺激可能会引起某些副作用，如闪光刺激可能会诱发癫痫患者的发作[9]，实验对象均为身体健康的在校大学生，无任何精神疾病和家族遗传病，参加测试前一周内无服用任何药物的历史、精神状况良好。开始记录数据前，实验员向受试者详细说明检查中的注意事项，以消除受试者紧张情绪及体动、吞咽、眼动引起的干扰脑电信号[10]。
2.2 实验环境和任务
实验中所有数据采集均在同一个实验专用房间内进行，房间周围安静、光线昏暗不使用日光灯，室温相对稳定(15～20℃)，尽量克服外部环境对受试者的干扰。实验采用α波频段(频率范围在8～13 Hz)闪光作为外部刺激。具体实验过程如下：受试者双眼自然闭合、身体和精神放松，以一种舒适的姿势坐在实验专用凳子上并佩戴内侧装有高亮度红、绿两种颜色的LED灯的眼镜。在脑电数据采集前，考虑到每个受试对象的接受能力不同，调整光的强弱。待受试者脑波平稳后开始设定模式的刺激。刺激过程见图1，平静和刺激状态的持续时间分别为2 min和3 min，闪光频率在α波频段。
2.3脑电记录
实验采用国产VEEG1型常规脑电图仪对受试图1 实验过程示意图
Fig 1 Process of the experiment
者的脑电信息进行详细记录。实验过程中脑电信号被实时采集并保存在计算机内。为了防止信号失真，电极与头皮接触处的阻抗低于5 KΩ，误差范围在1 KΩ。按照国际标准导联“10—20”系统[11]，将电极分别摆放在Fp1、Fp2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、01 、O2、F7、F8、T3、T4、T5和T6位置，Fpz为接地电极、耳电极A1、A2为参考电极(见图2)。脑电图仪的主要参数如下：放大增益：100 μv/cm;采样频率：210 Hz;共模抑制比：大于80 dB;A/D转换器分辨率：16位;时间常数：0.3 s;低通滤波器：30 Hz，以去除不需要的高频脑电波;陷波：50 Hz，去除电源干扰波。
2.4 实验数据分析的理论依据
2.4.1 快速傅里叶变换(FFT) 实验中获取的脑电信号是时域信号，是关于时间的函数，然而生物信号的许多重要特征并不能在时域中表现出来。傅立叶变换为时域信号的频域化分析提供了有力的数学工具。更为重要的是FFT(快速傅立叶变换算法)的出现，明显降低了数据处理的计算量，为实际应用铺平了道路。
2.4.2 脑电地形图成像原理 脑电地形图是利用计算机对采集的数据进行快速傅里叶变换(FFT)后，对有意义的信号进行功率谱分析，计算出每个电极处不同频带的功率谱强度值，未放电极部位的功率谱强度值由内插值计算方法推算出来，用不同的颜色标示不同的功率谱强度值，绘制出二维脑电地形图。脑电地形图与常规脑电图相比，直观性强、敏感性高、利于定量分析。
2.4.3 小波方法的选取与分解重构原理 小波变换(wavelet transform， WT)[12]技术是近20年来新发展起来的信号分析理论，其基本思想是用一族小波函数去表示或逼近信号，突出特点是时宽和带宽乘积很小，而且在时间和频率轴上都很集中。1988年， Mallat提出了多分辨分析的概念，并给出了小波分解与重构的快速算法，即Mallat算法。根据小波分解公式对信号进行分解，提取其中的有效系数，将不需要的系数成分置零，从而提取节律，再通过其逆运算，恢复提取出的信号。我们利用sym7小波对滤波后的信号进行8层分解，可以很清楚地得到脑电的四种脑电节律：δ波、θ波、α波、β波的主成分，从而进行信号特征的提取，分解后的各频率成分分布见表1。表1 分解后各频率成分分布表
δ波主要集中在Cd8、Cd7，θ波主要集中在Cd5，α波主要集中在Cd4，而β波主要集中在Cd3， 其中α波是论文重点研究的对象。
3 实验结果
我们利用α频率可见光对受试者进行周期性闪光刺激，实时记录平静和刺激状态下的脑电信号，运用频谱分析和脑电图的方法对两种状态进行对比。实验结果表明，脑电在光刺激时右枕区(O2电极)的脑电发生了明显的变化。对同一受试者，在平静和闪光刺激时的脑电地形图对比显示，α频率光刺激时右枕区(O2电极)α脑波的能量较平静状态时明显增加，地形图上的反应颜色明显加深，见图3。
Fig 4 Comparison of α EEG between silence and visual stimulation 对其实验数据作最后的处理。编写程序对14名受试者的实验数据进行功率谱分析，分别得到四种基本脑电〔δ(0.5～3 Hz)、θ(4～7 Hz)、α(8～13 Hz)、β(14～30 Hz)〕[13]的能量。4种基本脑电的能量在光刺激时与平静状态时相比，变化的幅度很大，因而论文利用归一化的方法，将平静时任一种脑电的能量视为“1”，分别计算出刺激时各种脑电相对于平静状态的能量大小和标准偏差并作图。表2是右枕区(O2电极)在平静和闪光刺激时，四种基本脑电信号的归一化能量和标准偏差。图5是14名受试者在平静、光刺激状态时四种基本脑电(δ、θ、α、β)的归一化能量变化规律。图6为男、女受试者在光刺激状态时四种基本脑电归一化能量的对比。图7是所有受试者在平静和光刺激状态时左、右枕区(O1、O2)α脑电归一化能量的对比。表2 平静、闪光时O2处脑电归一化能量和标准偏差
4 讨论
正常人处于清醒、放松且双眼紧闭状态时，枕区的α波能量较大，见图3。当大脑接受外部的声光刺激时，枕区会出现α同步化效应，即和外部刺激保持时间的一致性，且Alpha波能量会增加[14]。本研究的实验结果(图5)说明枕区α波在外部α频率闪图6 光刺激时男、女对比图between silence and visual stimulation光刺激时能量明显增加，然而，对每个受试者在两种状态下对比发现，光刺激时也存在Alpha波能量减小现象。Rosenfeld等利用5～16 Hz闪光刺激受试者时，并未出现Alpha波同步化的结果;Timmermann研究发现，α频率闪光刺激时脑电信号相对平静并未出现明显的变化[15];同样，枕区也会出现光刺激诱发α波去同步化的现象[16]。
男、女受试群体在光刺激时四种基本脑电归一化能量的变化也表现出了明显的差异。本实验比较感兴趣的α脑电，女生群体在光刺激状态时归一化能量远大于男生群体。大脑的很多功能都和α波的的振荡、变化有关，比如感觉记忆、知觉、注意力、认知任务等[17]。 Adile 在研究脑电时提出，对于同一个实验即使是一个很简单的外部刺激，参与者性别、年龄、认知能力以及在实验过程中的感觉、注意力等方面的差别都会造成α波变化的差异[18]，而且这种主观因素的影响不能消除。由于客观条件的限制和一些外部不可控的因素，如眼动、放大器的干扰，以及个体对外部刺激敏感性的不同，本实验中样本之间的差异同样存在，我们采用归一化能量的比较来尽量减小单个样本的影响，从整体上对两种状态下的变化作出了分析，并得到了初步的结论。
对于受试者在α频率闪光刺激时脑电信号的变化，是否能说明受试者的精神状态发生了改变，我们尚不可知。在脑电相关研究中，至今仍然没有一个明确的概念从脑电信号的角度对人的愉悦、放松的精神状态进行说明、阐述。从神经生理学角度，精神的愉悦、放松状态一般会出现α波、θ波的增加和大脑半球的同步化[19-20]。然而，本研究实验结果表明(见图3、7)，右脑半球Alpha波能量增加而左脑半球变化并不如右脑变化明显，同样大脑半球也没有出现θ波的增多，对于其中的机理仍需要深入研究。
5 结论
本研究结果表明，α频率光刺激的确能引起大脑枕区同频脑电信号能量的增加，并且右枕区(O2电极)α波能量较平静时变化明显。脑电地形图、小波分析和功率谱估计可以作为评估脑电信号变化的有力工具。实验的初步结论在研究外部诱发刺激对大脑影响方面有一定的参考价值。
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