事件相关去同步 (ERD) 和事件相关同步化 (ERS)在脑电信号研究中的应用

作者：周思捷，白红民，广州军区广州总医院神经外科

 

人脑具有电活动是Hans Berger于1924年首先检测到的，并将这种检测方法命名为脑电图（electroencephalo-graph，EEG）。脑电信号主要由皮质内大量神经元突触后电位同步总和形成，是很多神经元共同活动的结果。传统脑电信号分析大多由专家根据经验辨别伪差目测完成，并根据脑电图波形的幅度、频率和瞬态分布等给出评价。这使对脑电信号的特征提取与分析停留在主观水平上。傅立叶变换进行脑电图分析后，相继引入频域分析、时域分析等脑电图分析的经典处理方法，脑电信号的处理理论与方法均有较大的进展。

 

越来越多的研究已经证实：事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD）和事件相关同步化（event related synchronization，ERS）是研究脑功能信号有用的分析方法。本文结合现有的文献报道，对ERD/ERS的概况、量化方法以及临床相关研究进行综述。

 

1.ERD/ERS概况

 

随着脑电信号记录及分析的发展，PFURTSCHELLER和ANDREW在1999年证实在单手准备和执行运动时，对侧感觉运动皮质脑电信号中α频段（8~12Hz）和β频段（13~30Hz）出现振幅降低，并称为ERD，代表受激活的皮质脑电信号振幅减低。同时，运动手同侧的脑皮质信号中α频段（8~12Hz）和β频段（13~30Hz）出现振幅增加，称为ERS，代表相应皮质在静息状态下出现波幅增高。

 

在使用ERD/ERS分析受试者肢体活动、语言功能等脑电信号时，发现其存在以下特性：

 

①高度频谱特异性：δ频段（＜4Hz），θ频段（4~7Hz），α频段（8~12Hz），β频段（13~30Hz）及γ频段（＞30Hz），其中γ频段又被分为低γ频段（30~50Hz）、高γ频段（＞60Hz）等。频段划分使研究者进一步尝试通过对不同频段分析脑电信号，如中央区α频段又称为μ频段，产生于大脑感觉运动区，而μ频段常伴β频段出现。BRINKMAN等证明单侧肢体执行任务，μ频段在同侧感觉运动皮质振幅功率增加，而对侧β频段感觉运动皮质同时下降。大脑运动感觉皮质μ和β频段的ERD/ERS可作为大脑中央区激活或失活状态的指标。MANDEL等通过9名成年人交谈任务中发现，发言者左侧语言区α频段的ERD比聆听者下降20%。

 

②时间锁定性：通过皮质脑电技术（electrocorticograpy，ECoG）收集的脑电信号发现，中央区脑电振幅活动在运动开始前即可出现并持续到运动结束后数秒。MANDEL等研究在交谈测试中，发言者结束前数秒，另一名准备发言者α频段就出现能量变化。SAKIHARA和INAGAKI观察到舌相关的皮质脑电ERD在舌执行相关活动前2秒就出现。

 

2.ERD/ERS量化方法

 

方法包括：经典频带功率法、试用方差法、自回归模型和频谱分解法、时间频谱演化方法、任务相关能量的增减方法、柯氏复杂性和傅里叶谱熵。除柯氏复杂性和傅里叶谱熵是非线性测量之外，其他都是鉴于该频带的功率熵。

 

3.ERD/ERS临床应用

 

3.1在脑运动区定位的应用

 

μ频段的ERD/ERS和肢体感觉运动有密切关系，可以被感觉刺激及肢体运动阻断。TORO等发现受试者在握拳和屈趾实验中，α频段的ERD空间分布都集中于对侧半球运动区，而β频段ERD出现的时间和空间分布与之相似，但比α频段分布更离散。在全麻术中唤醒状态下，通过监测运动区脑电信号发现，μ频段的ERD/ERS具有大脑运动皮质能量变化特征，以其为重构特征信号在运动事件发生前后的能量比作为特征值最为明显，可以有效分类运动功能区皮质。肢体的真实或想象运动中伴随由大脑运动皮质低频频段的ERD/ERS脑电能量变化，使其在脑运动区定位中起重要作用。

 

3.2在脑语言区定位的应用

 

LACHAUX等发现高γ频段比低频脑电有更好的稳定性及特异性，对不同声音刺激表现出不同的拓扑分布，受试者一直重复执行几种语言任务诸如听觉辨别、识别词汇等，ECoG所采集的高γ频段活动结果与fMRI语言区定位有良好的相关性。2017年，我国认知神经科学与学习国家重点实验室联合北京宣武医院对5例直接皮质电刺激（direct electrical stimulation，DES）语言区无法引起阳性症状的癫疒间病人，实行术中植入硬膜下电极并用ECoG记录，以高γ频段ERD/ERS评估皮质语言区，与DES比较有较高的一致性（灵敏性77.1%，特异性97.1%），其结果表明高频脑电ERD/ERS定位脑语言区的效用。

 

NAKAI等对100例术后癫疒间病人，由DES引起短暂症状记录于三维的大脑图像表面，通过听力、命名过程中将高γ频段及β频段的ERD/ERS变化记录于四维图像，结果表明：高γ频段ERD及β频段ERS出现在语言区，并证实DES发现的语言区与高γ频段ERD/ERS一致性。ARYA等的研究发现与DES相比，高γ频段ERD/ERS定位双侧大脑语言区的特异性为81%，而灵敏度分别为47%（左侧大脑）和44%（右侧大脑）。BABAJANI-FEREMI等通过9例颅脑手术定位语言区的病人，以DES为金标准，高γ频段、fMRI、经颅磁刺激技术的灵敏性/特异性分别是：100%/85%、50%/80%、67%/66%，这进一步验证高γ频段的ERD/ERS术中定位语言区的可能性。凭借各频段ERD/ERS的研究处于不断发展阶段，是近年来用于探索人脑功能区定位的常用方法。

 

3.3在认知及情感功能评价的应用

 

BORGHINI等通过回顾有关精神疲劳神经生理学测量方面的文献，总结精神疲劳发生时飞行人员或驾驶人员相关的脑电图波形变化发现，驾驶人员高精神负荷时，脑电图θ频段增加和α频段减少，精神负荷状态向精神疲劳状态转换时，θ频段、δ频段和α频段增加，并且离线状态下检测这些精神疲劳状态的准确率约在90%。LEE等研究情感变化在脑电图中的表现和观察持续3秒的情绪图片刺激时，情感力度高者出现稳定的α频段ERD和γ频段ERS，进一步证实情商高者出现α频段去同步化更少。这些研究表明各频段的ERD/ERS认知、情感评表提供客观有效的临床信息。

 

4.ERD/ERS应用研究展望

 

采用不同频段ERD和ERS探讨正常或病理状态脑感觉、运动和认知功能是非常有用的研究方法。通过检测各特定节律ERD/ERS信号特征，可判断神经皮质功能区的空间位置，其对皮质感觉运动区、辅助运动区、语言区等定位将成为未来脑功能研究的方向。

 

来源：周思捷,白红民.事件相关去同步化和同步化方法在脑电信号分析中的研究进展[J].中国微侵袭神经外科杂志,2018(03):141-143.