基于脑电θ波特征信息分析的大脑前额皮质在字母工作记忆中作用的研究

３４卷２期　中　国　生　物　医学　工　程学报　ＶｏＩ．３４　Ｎｏ．２　２０１５年４月　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｐｒｉｌ　２０１５　基于脑电０波特征信息分析的大脑前额皮质　在字母工作记忆中作用的研究　李　松　靳静娜　王　欣　刘志朋　殷　涛　（中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津３００１９２）　摘要：通过前额皮质脑电０波段（４—８　Ｈｚ）特征信息的分析，揭示大脑前额皮质在字母工作记忆过程中“信息保　持与回忆”阶段作用的地位与机制。采集１５名被试在３字母、５字母、７字母的不同记忆负荷下，工作记忆实验中　头皮脑电图信号（ＥＥＧ），并使用Ｍｏｒｌｅｔ小波分解方法提取出各电极上的０波段信号。在能量分析方面，采用Ｗｅｌｃｈ　功率谱密度计算平均功率，采用短时傅里叶变化（ＳＴＦＴ）进行时频分析；在相关性分析方面，采用基于电极间功率　谱的相关系数进行相关性分析，采用电极间同步锁相值（ＰＬＶ）进行相位同步性分析。分析比较不同记忆负荷下，　前额皮质与顶叶、中叶等脑区０波段脑电信号的特征信息，并对结果进行配对ｔ检验和单因素方差分析，值检验。　结果表明，随着记忆负荷的增加，前额皮质（电极：Ｆｐｌ、Ｆｐ２、Ｆ３、Ｆｚ、Ｆ４）０波能量相对于中央叶（电极：Ｃ７、Ｃ３、Ｃｚ、　ｃ４、ｃ８）和顶叶（电极：Ｐ７、Ｐ３、Ｐｚ、Ｐ４、Ｐ８）有显著上升（Ｐ＜０．０５）。在低字母记忆负荷下，左右脑同侧脑区前额叶一中　央叶（Ｆ３．ｃ３、Ｆ４一ｃ４）、前额叶一顶叶（Ｆ３一Ｐ３、Ｆ４一Ｐ４）的相关系数相似。但随着记忆负荷的增加，右脑的脑区相关系数　相对于左脑有明显上升。相位同步性方面，随着记忆负荷的增加，右脑前额叶一中央叶（Ｆ４一ｃ４）和前额叶一顶叶（Ｆ４一　Ｐ４）相对于左脑的相位同步性明显增强，锁相比值（ＰＬＶ）显著上升（Ｐ＜０．０５）。在工作记忆的“信息保持与回忆”　阶段，大脑前额皮质的活跃程度和信息交流明显高于中叶和顶叶皮质，可能起到兼有自身记忆信息储存与保持、　执行调用其他皮质信息的多功能重要作用。随着记忆负荷的增加，大脑将自主调用更多右脑皮质参与工作记忆，　并从理性逻辑记忆模式，转化为感性形象记忆模式以提高工作效率。　关键词：脑电０波；前额皮质；字母工作记忆；记忆负荷；右侧脑区　中图分类号Ｒ３１８　文献标志码Ａ　文章编号０２５８—８０２１（２０１５）０２—０１４３－０１０　Ｔｈｅ　Ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　Ｃｏｒｔｅｘ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＥＥＧ　Ｔｈｅｔａ　Ｂａｎｄ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｌｉ　Ｓｏｎｇ　Ｊｉｎ　Ｊｉｎｇｎａ　Ｗａｎｇ　Ｘｉｎ　Ｌｉｕ　Ｚｈｉｐｅｎｇ　Ｙｉｎ　Ｔａｏ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ＆Ｐｅｋｉｎｇ　Ｕｎｉｏｎ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１９２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ　ＥＥＧ　（ｅ１ｅｃｔｒｏｅｎｃｅｐｈａｌｏｇｒａｐｈ）ｔｈｅｔａ　ｂａｎｄｓ（４—８　Ｈｚ）ｓｉｇｎａｌ　ｃａｎ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　“ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ａｎｄ　ｒｅｃａｌｌ”ｐｈａｓｅ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ．Ｆｉｆｔｅｅｎ　ｐａｒｔｉｃｉｐａｎｔｓ’ｓｃａｌｐ　ＥＥＧ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｐａｒｔｉｃｉｐａｎｔｓ　ｄｉｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ　ｔａｓｋ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　３　ｌｅｔｔｅｒｓ，５　ｌｅｔｔｅｒｓ　ａｎｄ　７　ｌｅｔｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｔａ　ｂａｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｗａｓ　ｅｘｔｒａｃｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｍｏｒｌｅｔ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　Ｗｅｌｃｈ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ　ｔｉｍｅ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（ＳＴＦＴ）ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｖａｌｕｅ（ＰＬＶ）ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８・８０２１．２０１５．０２．００３　收稿日期：２０１５－０１－０４，录用日期：２０１５－０２－０６　基金项目：国家自然科学基金仪器专项（８１１２７００３）；天津市科技支撑计划重点项目（１２ＺＣＺＤＳＹ０２０００）　＃中国生物医学工程学会高级会员（Ｓｅｎｉｏｒ　ｍｅｍｂｅｒ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）　通信作者（Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ），Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｍｅ５００＠１６３．ｃｏｒｎ　中　国生物医学工程学报　ｄｉ±ｌｅｒｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｂｒａｉｎ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｔａ　ｂａｎｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ，ｃｅｎｔｒａｌ　ｃｏｒｔｅｘ　ａｎｄ　ｐａｒｉｅｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ　ｗｉｔｈｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐａｉｒｅｄ　ｔ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｆ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｎｃｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄ，ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｔａ　ｂａｎｄｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ：Ｆｐｌ，Ｆｚ，ｏｆＦｐ２，Ｆ３，Ｆ４）ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｌｏｂｅ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ：Ｃ７，Ｃ３，Ｃｚ，Ｃ４，Ｃ８）ａｎｄ　ｐａｒｉｅｔａｌ　ｌｏｂｅ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ：Ｐ７，Ｐ３，Ｐｚ，Ｐ４，Ｐ８）．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ（Ｐ＜０．０５，ｏｆ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　Ｆｚ：Ｐ＜０．０１）．Ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｌｅｔｔｅｒｓ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｐｓｉｌａｔｅｒａｌ　ｒｅｇｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｌｏｂｅ—ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｌｏｂｅ（Ｆ３－Ｃ３，Ｆ４・Ｃ４），ｆｒｏｎｔａｌ　ｌｏｂｅ—ｐａｒｉｅｔａｌ　ｌｏｂｅ（Ｆ３一Ｐ３，Ｆ４一Ｐ４）ｉｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｌｅｆｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｉｇｈｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｒａｉｎ．Ｂｕｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄ，ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｅｆｔ　ｂｒａｉｎ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｉｇｈｔ　ｂｒａｉｎ　ｈａｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄ，ｔｈｅ　ｒｉｇｈｔ　ｂｒａｉｎ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｆｒｏｎｔａｌ　ｌｏｂｅ—ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｌｏｂｅ（Ｆ４一Ｃ４）ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｌｏｂｅ，　ｐａｒｉｅｔａｌ　ｌｏｂｅ（Ｆ４一Ｐ４）ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｅｆｔ　ｂｒａｉｎ　ｍａｒｋｅｄｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｉｎ　ｐｈａｓｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ＰＬＶ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｖａｌｕｅ（ＰＬＶ）ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｈａｓ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ（Ｐ＜０．０５）．Ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　“ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ａｎｄ　ｒｅｃａｌｌ”ｐｈａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ，ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ　ａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄｄｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒｉｅｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ．Ｉｔ　ｍａｙ　ｐｌａｙ　ａ　ｍｕｌｔｉ—　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｒｏｌｅ　ｔｈａｔ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｍａｉｎｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃａｌｌ　ｏｔｈｅｒ　ｅｏｒｔｅｘｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄ，　ｔｈｅ　ｂｒａｉｎ　ｗｉｌｌ　ｃａｌｌ　ｍｏｒｅ　ｒｉｇｈｔ　ｂｒａｉｎ　ｃｏｒｔｅｘ　ｉｎ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｌｏｇｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｗｉｌｌ　ｔｒａｎｓｌａｔｅ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ　ｉｍａｇｅ　ｍｅｍｏｒｙ　ｍｏｄｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｗｏｒｋ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＥＥＧ　ｔｈｅｔａ　ｂａｎｄ；ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ；ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄ；ｒｉｇｈｔ　ｂｒａｉｎ　ａｒｅａ　引言　工作记忆（ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ，ＷＭ）是大脑在执行　认知任务过程中对信息进行暂时贮存和加工的资　源有限记忆系统，在人的复杂认知活动中起十分重　要的作用。ＷＭ被形容为人类的认知中枢，是当前　认知心理学和认知神经科学中最活跃的研究领域　皮质与语言记忆有关　，顶叶皮质与信息贮存有　关，枕叶皮质与视觉注意有关，左半球脑与客体记　忆有关，右半球脑与空间记忆有关等。其中，前额　叶皮质在ＷＭ中的作用最为引人注目。大脑内侧　的前额叶（额头后面的一片大脑区域，占人脑皮层　总量的３０％）一直被认为是大脑的中央执行单元，　在ＷＭ活动中起重要作用。Ｐｕｉｇ等发现，前额叶皮　质与大脑ＷＭ中记忆信息保持有关　；Ｂａｒｂｅｙ等则　认为，前额叶皮质激活主要起提高ＷＭ中大脑注意　力的作用　。Ｏｓａｋａ等通过干扰大脑“决策判断”阶　段前额叶皮质方法，降低了ＷＭ中行为学实验表　之一。工作记忆过程在大脑中可以分为信息编码、　记忆保持与回忆、决策判断等几个功能。在工作记　忆中，大脑皮层各功能区如何分工合作、协调完成　记忆任务，即不同大脑皮质区域在ＷＭ中的作用和　运行机制，是ＷＭ研究的最基本问题与热点。　目前，针对ＷＭ机制国际上已提出多个理论模　现，从而又说明前额叶皮质更多与大脑执行判断有　关　。总体而言，现有ＷＭ研究所侧重的感兴趣脑　功能区不同，也缺乏对其３个功能成分的完整研究，　型，其中影响最大的是Ｂａｄｄｅｌｅｙ和Ｈｉｔｃｈ首先提出　的三成份模型…。该模型认为，ＷＭ由语音环路　（ｐｈｏｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｌｏｏｐ）、视觉空间模板（ｖｉｓｕｏｓｐａｔｉａｌ　所得结果亦不尽一致。有关大脑皮质的ＷＭ作用　研究尚处于初步探索阶段，需要更深入的实验研　ｓｋｅｔｃｈｐａｄ）和中央执行（ｃｅｎｔｒａｌ　ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ）系统３个　功能成分组成，前两个分别负责声音与视觉信息储　究，以获得较确定的结论。　工作记忆研究大致有３种：词语工作记忆、客体　工作记忆和空间工作记忆。字母工作记忆属于词　语工作记忆类。词语工作记忆与人的语言学习密　存、加工和控制，后者负责各成分之间及其与大脑　长时记忆的联系、注意资源的协调和策略的选择与　计划等。显然，中央执行单元是ＷＭ的核心，而验　证和完善该模型一直是ＷＭ研究的核心领域。针　对大脑皮质的ＷＭ作用，已有研究结果表明：颞叶　切联系，在阅读理解中起重要作用。词语记忆含两　部分信息：词语外部信息表征的观察和中央系统对　该表征信息的反馈，即词语工作记忆需由视觉空问　中　国生物医学工程学报　３４卷　整体字母工作记忆实验如图２所示，全程安排　悉实验过程与按键使用，培训测试准确率应达８０％　以上才可以进行正式实验。实验过程采用Ｅｐｒｉｍｅ　（２．０版）软件编程。　分为３个组（目标字数依次为３、５、７个），每组含２０　次的字母工作记忆测试，组间休息１　ｍｉｎ。在正式测　试之前，需对受试者先进行１０次实验培训，以便熟　Ｅ画］—［回３字母记忆负荷…臣　口　卜一——　５字母记忆负荷卜———叫　７字母记忆负荷　图２整体字母记忆负荷实验流程　Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｅｎｔｉｒｅ　ｍｅｍｏｒｙ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｌｅｔｔｅｒｓ　１．３信号采集　１．４．３．１功率谱分析　采用Ｗｅｌｃｈ法　，计算各电极的０波段信号的　功率谱分布。其原理为：将电极信号分成ｋ段，每段　有ｍ个数值，假设第ｉ段信号为　（ｎ）（ｒｂ＝１～ｍ），　使用Ｎｅｕｒｏｓｃａｎ　ＳｙｎＡｍｐｓ　２脑电系统中的３２个　电极，按国际１０－２０导标准安装，采集脑电信号，采　样频率为１　０００　Ｈｚ。头皮与电极之间的阻抗保证低　于５　ｋｎ，前额正中处接地，双侧耳部乳突为参考电　将　（ｎ）与窗函数Ｗ（ｎ）（ｎ＝１～ｍ）相乘并进行离　散傅里叶变换得到Ｘ　（∞），即　（　）＝ＤＦＴ［　（ｎ）Ｗ（ｎ）］：　极；原始脑电数据采用（０．１～２００　Ｈｚ）带通滤波后，　送入下一步ＥＥＧ信号预处理与特征信息分析。　１．４分析方法　１．４．１信号预处理　将ＥＥＧ数据经目测剔除明显干扰较多部分后，　采用（１～４０　Ｈｚ）带通再次滤波，并用独立成分分析　（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ＩＣＡ）去除眼电、肌　∑　（ｎ）Ｗ（ｎ）ｅ　（４）　选取窗函数Ｗ（ｎ）为Ｈａｎｎｉｎｇ窗，其具有平滑　功率谱线和保留谱线特征的特点。根据功率谱定　义，得到第ｉ段信号功率谱Ｓ　（　），即　Ｓ　（∞）＝上Ｉ　Ｘ　（∞）Ｉ　（５）　电等干扰，选取大脑“信息保持与回忆”时段（对应　于黑屏显示的３　０００　ｍｓ）的数据进行ＥＥＧ特征信息　分析。　将各段数据进行平均，得到功率谱分　布Ｓ　（∞），即　＾　１　１　１．４．２　０波段脑电信号提取　采用小波变化（ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ｗＴ）方法提取　ｋ　＾　出各电极上的０波段脑电信号，其原理为：定义　Ｍｏｒｌｅｔ小波作为小波变换的母小波函数　（　）＝Ｃｅ　ＣＯＳ（５ｘ）　Ｓ　（　）　亡　Ｓｘｌ（　）　１　ｍ　（６）　（　），有　（１）　式中，Ｕ＝一１∑　（ｎ）为归一化因子，保证结果的　７ｎ　使用　（　）对信号＿厂（　）进行小波变换。通过　调整位移因子和尺度因子，求得信号不同频率范围　段相对应的小波系数，有　渐近无偏估计。　将功率谱分布Ｓ　（∞）中关于０波段（４～８　Ｈｚ）　的谱能量提取出来，相加作为该电极０波信号的功　率Ｐ。　考虑到不同受试者的个体差异，对每位受试者　（　）：　／Ｉ　ａ　Ｉ　Ｊ　（、　ａ／ｆ（ｄ２）　式中，　，（ａ，ｂ）为小波系数，ａ为位移因子，ｂ为尺　度因子。　３种记忆负荷下的功率进行自身归一化处理。引入　归一化因子Ｐ，（Ｐ，为３字母记忆负荷下的０波段信　最后，再通过逆变换的方式实现信号重构，有　号功率），每个受试者归一化后功率为Ｐ　，：Ｐ，／Ｐ　，　Ｐ　＝Ｐ　／Ｐ　，Ｐ　＝Ｐ　／Ｐ　（Ｐ　，为３字母归一化功率，　ｆ（ｔ）＝　Ｊ．：　之间，符合０波频率要求。　１．４．３能量分析　，６）　（　）　６（３）　Ｐ　为５字母归一化功率，Ｐ　为７字母归一化功　率）。研究使用该方法，比较不同记忆负荷下、不同　脑区０波信号功率的变化，从而分析各脑区在工作　记忆中的活跃程度。　小波分解得到的０波信号频率在４．６～９．３　Ｈｚ　２期　李　松，等：基于脑电０波特征信息分析的大脑前额皮质在字母工作记忆中作用的研究　１４７　１．４．３．２时频分析　采用短时傅里叶变换¨　（ｓｈｏｒｔ　ｔｉｍｅ　ｆｏｕｒｉｅｒ　（ｆ）：－ＳＰｖｌ　丛　ｄ　ｒ　Ｉｌ　Ｊ一∞　一　（１Ｏ）　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＳＴＦＴ），获得脑电信号的０波段时频图。　其原理为：将原始信号　（ｔ）与窗函数ｍ（ｔ—ｒ）相　乘，并对乘积进行傅里叶变换，得到在时间ｔ附近的　很小时间上的局部谱，从而得到随时间ｔ推移的信　号频谱信息，有　Ｓ　（　，ｔ）＝Ｉ　（　）ｍ（　—ｔ）ｅ　ｄｒ　（７）　Ｊ　考虑到不同受试者的个体差异，对每位受试者３　种记忆负荷下的时频谱进行自身归一化处理。引入　３　０００　归一化因子ｍａｘ［　Ｓ　（（【，，￡）］该因子为３字母记　（　＝４—８）　忆负荷下０波段上各频率时频谱和的最大值，叫为４　—８　Ｈｚ，ｔ为１—３　０００　ｍｓ，每个受试者归一化后０波　３　０００　段时频谱为Ｓ　ｓ＝￥３／ｍａｘ　［　ｓ　（（Ｅ，，　）］、ｓ　ｓ　ｓｓ／　（　：４ｌ）３　０００　３　０００　［　ｓｓ（　，　）］、ｓ　＝￥７／ｍ　ａｘ［　ｓ３（　，　）］　（　）（　。）（Ｓ　为３字母记忆负荷时频谱，ｓ　为５字母记忆负　荷时频谱，ｓ　为７字母记忆负荷时频谱）。研究使用　时频分析的方法，可以评估脑区在不同记忆负荷下０　波段信号的实时变化情况。　１．４．４相关性分析　１．４．４．１相关系数　计算不同脑区电极信号的相关系数，其原理　为：分别计算两电极　和Ｙ在０波段的自功率谱Ｇ　（ｆ）、Ｇ　（，）和互功率谱Ｇ　（ｆ）…　，两个电极在０波　段的相关系数可表示为　８　ｃｏｈｅ＝∑（（Ｇ　，（　）　／（Ｇ　（厂）Ｇ　（１厂）））（８）　相关系数取值在０～１之间，１表示两信号之间　关联紧密，０表示两信号之间无关联。研究使用相　关系数法来评估不同脑区（如前额叶、中央叶、顶　叶）的０波信号相关性，比较脑区间活跃程度，分析　和探讨脑区在工作记忆中的作用。　１．４．４．２相位同步计算　采用同步锁相值（ｐｈａｓｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ　ｖａ￣ｕｅ，ＰＬＶ）的　方法¨　，评估０波段下两个脑部电极之间的相位同　步性。电极信号　（ｔ）和　，（ｔ）的相位差可表示为　ＰＬＶ＝ｌ（ｅｘｐ（ｊ（　（ｔ）一　（ｔ）））Ｉ　（９）　式中，　（ｔ）、　，（ｔ）为电极　（ｔ）、　，（ｔ）的瞬时相位　值，锁相值为相位差平均后的绝对值。瞬时相位通　过将　（ｔ）、　，（ｔ）进行Ｈｉｌｂｅｒｔ变换得到，即　式中，ＰＶ为柯西主值。　（ｔ）可表示为　ｆ　ｔ、　（ｔ）＝ａｒｃｔａｎ　（１１）　Ｘｉ　ＰＬＶ算法不考虑信号幅值，仅考虑其相位差　异。取值范围在０～１之间，１表示两信号之间完全　同步，０表示两个信号之间不同步。研究使用相位　同步性方法来评估不同脑区（如前额叶、中央叶、顶　叶）０波信号的相位同步性，进而分析脑区间的联系　及协同工作情况。　通过计算左右脑ＥＥＧ信号的ＰＬＶ之比，比较　在不同ＷＭ负荷下左右脑的活跃程度，即　ＰＬＶ＝（ＰＬＶ右脑电极／ＰＬＶ左脑电极）×１００％（１２）　分别计算前额叶一中央叶右脑对应电极（Ｆ４－　ｃ４）与左脑对应电极（Ｆ３一ｃ３）的０波锁相比值　ＰＬＶ　，以及前额叶－顶叶右脑对应电极（Ｆ４－Ｐ４）与左　脑对应电极（Ｆ３一Ｐ３）的０波锁相比值ＰＬＶｍ并比较　不同ＷＭ负荷下左右脑活跃程度的差异。　１．４．５统计学处理　对３组不同记忆负荷下各脑区对应电极０波信　号的能量与相关性进行分析，所得的各项参数皆采　用统计学单因素方差分析（ｏｎｅ．ｗａｙ　ＡＮＯＶＡ）来进行　统计学配对ｔ检验和Ｆ检验处理，评估各项检测参　数的统计学差异显著性。方差分析（ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｎｃｅ，ＡＮＯＶＡ）是鉴别各因素效应的有效统计方　法，常用于寻找对实验结果有显著性影响的作用因　素，有助于揭示其作用机制。在方差分析中，可控　制条件称为“因素”（ｆａｃｔｏｒ），控制因素变化等级称　为“处理”（ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）水平。单因素方差分析只有　一个可控因素变化，其他可控因素不变。　２　结果　２．１不同记忆负荷下各脑区对应电极０波段能量　分析　将１５名受试者在不同记忆负荷条件下字母工　作“记忆保持与回忆”时段内各脑区对应电极０波　段能量进行平均，得到平均功率（见图３）。由结果　得出：各脑区皮质在此时段都存在高低不同的０波　段能量，但以腹内侧前额（ＦＰ１、ＦＰ２）、中间额叶　（ＦＺ）和背外侧前额（Ｆ３、Ｆ４）脑区所含的０波段能　量更为突出；随着记忆负荷的增加，上述前额皮质　脑区的０能量明显上升。　１５２　中　国　生物　医　学工程学报　３４卷　可以提高记忆单词效率　，即右脑主要参与字母、　符号记忆，与字母ＷＭ活动关系更密切。本研究的　［４］　Ｂａｒｂｅｙ　Ａ，Ｋｏｅｎｉｇｓ　Ｍ，Ｇｒａｆｍａｎ　Ｊ．Ｄｏｒｓｏｌａｔｅｒａｌ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｈｕｍａｎ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ［Ｊ］．Ｃｏｒｔｅｘ，２０１　３，４９　（５）：１１９５—１２０５．　结果更进一步说明，随着ＷＭ难度加大，大脑调用　了更多的右侧脑区皮质进行字母记忆保持与回忆。　也就是说，随着ＷＭ负荷的加重，大脑自主地将字　［５］　Ｏｓａｋａ　Ｎ，Ｏｔｓｕｋａ　Ｙ，Ｈｉｒｏｓｅ　Ｎ，ｅｔ　ａ１．Ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＴＭＳ）ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｌｅｆｔ　ｄｏｒｓｏｌａｔｅｒａｌ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｃｏｒｔｅｘ　ｄｉｓｒｕｐｔｓ　ｖｅｒｂａｌ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏ￣ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｈｕｍａｎｓ［Ｊ］．　Ｎｅｕｒｅ０ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００７，４８：２３２—２３５．　母记忆从理性语言逻辑记忆模式转化到感性空间　形象记忆模式，以便既保证记忆的准确率又提高记　忆的速度，这对于研究大脑的记忆习惯具有一定　意义。　总之，本研究通过不同负荷难度的字母工作记　【６］　Ｇａｒｔｎｅｒ　Ｍ，Ｌｉｅｂｅｎａｕ　Ｌ．Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ—ｒｅｌａｔｅｄ　ｆｒｏｎｔａｌ　ｔｈｅｔａ　ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ａｃｕｔｅ　ｓｔｒｅｓｓ　［Ｊ］．　Ｐｓｙｃｈｏｎｅｕｒｏｅｎｄ０ｃｒｉｎｏｌ０ｇｙ，２０１４，４３：１０５一ｌ１３．　［７］Ｈｓｉｅｈ　Ｌ，Ｒａｎｇａｎａｔｈ　Ｌ．Ｆｒｏｎｔａｌ　ｍｉｄｌｉｎｅ　ｔｈｅｔａ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏ￣ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｐｉｓｏｄｉｃ　ｅｎｃｏｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｔｒｉｅｖａｌ　忆实验，以脑电０波信息特征分析为工具，详细考察　了前额叶皮质在“记忆保持与回忆”阶段的激活性　能变化和左右脑区表现差异，初步揭示了前额皮质　［Ｊ］．Ｎｅｕｒｏｉｍａｇｅ，２０１４，８５（２）：７２１—７２９．　［８］　高成，董长虹，郭磊，等．Ｍａｔｌａｂ小波分析与应用（第２版）　［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００７：２５．　［９］　杨晓明，晋玉剑，李永红．经典功率谱估计Ｗｅｌｃｈ法的　在大脑工作记忆中可能兼有自身记忆信息储存与　保持和执行调用其他皮质信息的多功能重要作用；　发现随记忆难度增大、负荷加重，大脑将自主调用　更多右脑皮质参与工作记忆，并从理性逻辑记忆模　Ｍａｔｌａｂ仿真分析［Ｊ］．电子测试，２０１１，７：１０１—１０４．　［１Ｏ］　魏松，李琦，赵仁才．基于短时傅立叶变换语言信号分析算　法［Ｊ］．电子测量技术，２００６，２９（１）：１６—１７．　［１１］　郑磊磊，蒋正言，刘爱伦．轻度认知功能障碍患者工作记忆　中脑电能量及皮质联络功能的变化特征［Ｊ］心理学报，　２００７，３９（４）：６３８—６４７．　式转化为感性形象记忆模式，以提高工作效率。　未来工作拟深入研究前额叶皮质与其他皮质　如何协同完成编码、保持与判断等工作记忆的全过　程，进一步全面明确前额叶皮质在工作记忆过程中　［１２］　胡剑锋，包学才，穆振东．基予相位同步的脑电信号分类算　法研究［Ｊ］．Ｍｉｅｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，２００８，２５（９）：１５一　ｌ８．　的重要作用，为深入理解人的复杂认知活动提供相　关的科学依据。　［１３］Ｙａｕ　Ｍ，Ｈｕａ　Ｊｕｎ，Ｄｉａｎａ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｒｔｉｃａｌ　ｔａｒｇｅｔｓ　ｉｎ　ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ　ＴＭＳ－ｆＭＲ１　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］，Ｎｅｕｒｏｉｍａｇｅ，２０１３，７６：１３４—１４４．　参考文献　Ｂａｄｄｅｌｅｙ　Ａ．Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｗ［Ｊ］．Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｂｉｏｌｏｇｙ，２０１０，２０　（４）：１３６—１４０．　［１４］Ｈｕｎｇ　Ｙｕｗｅｎ，Ｓｍｉｔｈ　Ｍ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ—　ｈｉｐｐｏｃａｍｐａｌ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｍｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｃｏｒｔｅｘ，２０１３．４９　（４）：９６１—９６７．　［１５］　Ｎｅｓｐｏｕｌｏｕｓ　Ｊ．Ｒｉｇｈｔ　ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ　ａｎｄ　ｌａｎｇｕａｇｅ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，２０１２，５５（１）：１８７—　１８８．　［２］　Ｓｉｍｏｎｓ　Ｊ．Ｔｅｍｐｏｒａｌ　ｌｏｂｅｓ［Ｍ］／／Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎｅｕｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ．Ｏｘｆｏｒｄ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　Ｐｕｂ，２０１４，４：４８６—　４９５．　［１６］　Ｊａｎａｅｓｅｋ　Ｋ，Ａｍｂｒｕｓ　Ｇ．Ｒｉｇｈｔ　ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｉｎ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｌｅａｒｎｉｎｇ：ｅｖｉｄｅｎｃｅ　ｆｒｏｍ　ａ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｔａｓｋ　［３］　Ｐｕｉｇ　Ｍ，Ａｎｔｚｏｕｌａｔｏｓ　Ｅ，Ｍｉｌｌｅｒ　Ｋ．Ｐｒｅｆｒｏｎｔａｌ　ｄｏｐａｍｉｎｅ　ｉｎ　ａｓｓｏｃｉａｔｉｖｅ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｅｍｏｗ［Ｊ］．Ｎｅｕｒｏｓｅｉｅｎｅｅ，２０１４，２８２　（１２）：２１７—２２９．　［Ｊ］．Ｂｒａｉｎ　Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１４（２５）：１５２—１５５．