摘 要： 为探讨精神疲劳对大脑不同脑区脑电信号关联性的影响,运用相关分析法,分析了8位受试者在下午2:00与下午4:00精神疲劳状态下,前额叶对称导联脑电信号的互相关系数的变化规律。发现下午2:00与下午4:00的互相关系数存在显着性差异,前额叶Fp1与Fp2对称导联脑电信号的相关性随着精神疲劳程度的增加而降低,精神疲劳使得前额叶对称导联脑电信号存在一定的“失步”现象。研究表明,精神疲劳对前额叶对称导联脑电信号的关联性有显着影响;利用互相关分析法对前额叶的脑电信号进行分析,可以进一步加深了解人们的认知与心理活动。
关键词： 脑电信号; 对称导联; 互相关; 精神疲劳;
Abstract： In order to explore the effect of mental fatigue on the correlation of electroencephalogram(EEG) signals in different brain regions,the correlation analysis method was used to analyze the cross correlation coefficients of the symmetrical lead EEG signals in the prefrontal lobes of 8 subjects in the mental fatigue states at 2:00 p.m.and 4:00 p.m..It was found that there is a significant difference between the cross correlation coefficient at 2 p.m.and the one at 4 p.m.The correlation between the Fpl and Fp2 symmetrical lead EEG signals in the prefrontal lobes decreases with the increase of mental fatigue.The research shows that mental fatigue has a significant effect on the correlation of the symmetrical lead EEG signals in the prefrontal lobes.The cross correlation analysis of the EEG signals in the prefrontal lobes can further understand cognition and mental activities.
Keyword： electroencephalogram(EEG); symmetric lead; cross correlation; mental fatigue;
精神疲劳指人们长时间进行需持续精神注意力的认知活动时体验到的一种生理心理上的改变[1]。精神疲劳使得认知功能产生变化,诸如反应时间延长[2]、视觉融合频率降低[3]和警觉性的降低[4]等,并表现出以注意力不集中、反应迟钝、头脑昏沉和工作绩效降低等状态[5];同时,精神疲劳也会引起生理功能的变化,如脑电图波形发生改变[6],脑组织含氧量相对于静息状态增加[7]。精神疲劳被认为是包括航空事故在内的安全事故重要原因之一[8]。
近年来,一些研究人员将精神疲劳与脑电图、心电图、眼电图和肌电图等联系起来,试图由电生理特征来表征精神疲劳。因具有费用相对低廉、时间分辨率高、无创伤等优点,脑电图可能是预测、检测精神疲劳及分析精神疲劳过程中人们心理状态变化的一个可靠的生理特征[9]。Sauvet等[10]和Chong等[11]利用一个导联脑电信号来评价精神疲劳,文献[12,13]中利用不同脑区的多导脑电信号来共同描述精神疲劳。Ying等[14]和Jing等[15]为了探讨神经活动过程中不同脑区的关联性,利用脑电信号数据构建了大脑功能网络。由于人脑具有一侧优势与功能区的特点,上述方法均存在一定的局限性。
大脑的两半球是协调活动的。正常情况下,进入大脑任何一侧的信息,都会迅速地经过胼胝体传递到另一侧,使机体做出统一的反应[16]。探讨精神疲劳与不同脑区脑电信号之间的依赖关系,一直是心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能等领域所关注的重要课题。相关性表示两个比较变量的同步程度,相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标,相关分析可以检测两个变量之间的相关程度[17],并用于探索任何两个大脑区域之间或一个脑区内不同导联之间的相互联系。互相关可以用来测量任何两个大脑区域之间的功能连接[18,19,20]。相关分析是脑电信号分析的常用方法之一。
本文通过分析不同脑区对称导联脑电信号的互相关系数随精神疲劳的变化规律,进一步探讨精神疲劳对大脑不同脑区产生的影响。
1、 实验
选取年龄在19～24岁的8位健康、右利手的男性在校工科硕士研究生为本实验的受试者。所有受试者均声明没有诸如精神分裂症、癫痫、脑外伤等脑部病史,在实验前3天未服用任何精神类药物与酒精饮料。要求所有受试者在实验期间都必须有规律的生活习惯和正常睡眠。受试者所在学校的学习时间为上午9:00～12:00,下午1:00～5:00。所有受试者都签署了实验的知情同意书,学校当地的伦理委员会审查并批准了这项研究。为了激励受试者在实验中更好地合作,所有受试者都给予一定的报酬。
实验是在安静、昏暗、室温大约为20℃的实验室内进行的。实验开始前,先向受试者介绍实验目的、实验注意事项,让受试者一直坐在比较舒适的椅子上,然后为受试者佩戴由干电极传感器系统组成的电极帽,并且在实验过程中(下午1:00～5:00),一直佩戴电极帽;要求受试者在实验过程中身心尽可能放松,在记录脑电信号时,闭上眼睛,什么也不要想。在脑电信号记录过程中,身体尽量保持姿势不变,尽可能不要眨眼睛,同时务必保持意识清醒。一般而言,按照工作时间与生活习惯,下午2:00的精神疲劳程度要比下午4:00的轻一些。
根据国际10-20系统标准,电极放置于前额叶的Fp1与Fp2处(见图1),参考电极粘贴于喉结右下方的锁骨管处。
图1 电极分布
脑电信号记录仪选用PL-EEGWavepoint系统,各导联阻抗均小于5kΩ。采样间隔为6ms。实验分为两个部分,第1部分与第2部分的脑电信号分别在下午2:00和下午4:00开始采集,采集持续时长各5min。
2 、互相关
互相关函数表示的是两个时间序列之间的相关程度,即描述随机信号X(t)、Y(t)在任意两个不同时刻t1、t2的取值之间的相关程度。
对于给定长度为n的时间序列X{x(i),i=1,2,…,n}与Y{y(i),i=1,2,…,n},X与Y的互相关系数rXY为
式中:分别为序列X与Y的均值;sX与sY分别为序列X与Y的标准差。
如果互相关系数为0,表明序列X与Y是彼此独立或不相关的;如果互相关系数为1,表明序列X与Y是线性正相关的;如果互相关系数为-1,表明序列X与Y是线性负相关的;互相关系数在-0.30～0或0～0.30之间,表明序列X与Y微相关;互相关系数在-0.50～-0.30或0.30～0.50之间,表明序列X与Y实相关;互相关系数在-0.80～-0.50或0.50～0.80之间,表明序列X与Y显着相关;互相关系数在-1.00～-0.80或0.80～1.00之间,表明序列X与Y高度相关。
3 、数据分析
肉眼逐段检查实验所获得的脑电信号,剔除明显含有噪声的片段,再选用带通为0.5～30Hz的FIR滤波器,去除脑电信号中的噪声干扰。
计算互相关系数rXY的长度选择为167点(1s的数据采样点),以84点(0.5s的数据采样点)的数据段为计算rXY的平移步长,在15s的数据段中,逐段分别计算前额叶Fp1与Fp2对称导联脑电信号在下午2:00与4:00的互相关系数,最后以8位受试者的均值作为对应计算段的互相关系数。
t-检验是用t分布理论来推论差异发生的概率,从而比较两个平均数的差异是否显着。下午2:00与4:00的互相关系数的差异情况用t-检验来分析。
3.1、 rXY的比较
前额叶Fp1与Fp2在下午2:00与4:00的rXY如图2所示,经t检验统计显示,下午2:00与4:00的r XY的标准差为0.0405,t=17.4354,P<0.001,两者之间存在显着性差异。从图2中可以看出,在前额叶,下午2:00的r XY明显大于下午4:00;下午2:00rXY的均值为0.8489,表明此时前额叶Fp1与Fp2导联脑电信号高度相关;下午4:00rXY的均值为0.7074,表明此时前额叶Fp1与Fp2导联脑电信号显着相关;前额叶对称导联脑电信号的相关性随着精神疲劳程度的增加而降低。
图2 下午2:00与4:00前额叶Fp1与Fp2对称导联脑电信号的rXY
3.2、 rXY随延迟时间的变化
分别选取前额叶Fp2导联脑电信号比Fp1延迟时间为0、6 ms、12 ms、18 ms(采样间隔为6ms),下午2:00对应的状态分别为状态1-1、状态1-2、状态1-3、状态1-4,下午4:00对应的状态分别为状态2-1、状态2-2、状态2-3、状态2-4。前额叶对称导联脑电信号rXY随延迟时间的变化如图3所示。
由图3可以看出,对应不同的延迟时间,前额叶对称导联脑电信号rXY分别在不同的区域内变化。不同状态下前额叶对称导联脑电信号rXY的均值见表1。由图3与表1可知,在下午2:00,前额叶对称导联脑电信号rXY随着延迟时间的增大而减小,说明对称导联脑电信号的同步性较强;而在下午4:00,延迟时间为6ms时,对称导联脑电信号rXY最大,之后又逐渐减小,表明随着精神疲劳程度的增加,对称导联的脑电信号存在着一定的“失步”现象。
图3 前额叶Fp1与Fp2对称导联脑电信号rXY随延迟时间的变化
表1 前额叶对称导联脑电信号rXY的均值
表2为同一精神疲劳状态下对应不同延迟时间的t检验分析。从表2可知,无论是在下午2:00,还是在下午4:00,对应延迟时间为0、6ms、12ms、18ms的4种状态,彼此之间都存在着显着性差异(P<0.001)。
表2 对应不同延迟时间的t检验分析
4 、讨论
抑郁是重度精神疲劳的临床表现现象之一,有研究表明,静息额叶脑电波偏侧化程度与抑郁水平负相关,患有抑郁症个体的静息额叶脑电波相对右侧化[21],偏侧化则意味着对称导联脑电信号rXY减小,前额叶Fp1与Fp2对称导联脑电信号rXY随着精神疲劳程度的增加而减小,本文的实验结果从另一个方面验证了文献[21]的结论。用前额叶Fp1与Fp2对称导联脑电信号rXY随着精神疲劳程度的增加而减小的现象更加便于解释精神疲劳的种种表现,rXY减小,说明对称导联出的思维活动同步性降低,关联性较小,自然会出现注意力不集中、反应迟钝、工作绩效降低等状态。
5、 结论
相关关系是一种非确定性的关系,相关系数是研究变量之间线性相关程度的量,相关分析是一种简便、易行、快速的信号分析与处理方法。本研究通过分析不同精神疲劳程度下不同脑区对称导联脑电信号的互相关性,有以下结论:
(1)精神疲劳对前额叶对称脑电信号的关联性有显着影响,前额叶Fp1与Fp2对称导联脑电信号的相关性随着精神疲劳程度的增加而降低;
(2)精神疲劳使得前额叶对称导联脑电信号的同步性减小;
(3)利用互相关分析法对前额叶的脑电信号进行分析,可以进一步加深了解人们的认知与心理活动。
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