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

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)

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

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)

通过前额皮质脑电θ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θ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θ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F值检验。结果表明，随着记忆负荷的增加，前额皮质(电极：Fp1、Fp2、F3、Fz、F4)θ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-中央叶(F3-C3、F4-C4)、前额叶-顶叶(F3-P3、F4-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-中央叶(F4-C4)和前额叶-顶叶(F4-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。

脑电θ波；前额皮质；字母工作记忆；记忆负荷；右侧脑区

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型，其中影响最大的是Baddeley和Hitch首先提出的三成份模型[1]。该模型认为，WM由语音环路(phonological loop)、视觉空间模板(visuospatial 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：颞叶皮质与语言记忆有关[2]，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[3]；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[4]。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中行为学实验表现，从而又说明前额叶皮质更多与大脑执行判断有关[5]。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，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间模板与中央执行系统相结合来完成。有关词语工作记忆的具体机制尚不清楚，大脑前额皮质在WM中是仅参与记忆信息的保持与回忆，还是也起执行与控制作用？WM过程中不同记忆负荷下前额皮质与顶叶、中叶等其他脑区皮质有何不同表现？左右脑区有何作用差异？这些都有待于更加深入的研究。笔者拟通过不同记忆负荷下的字母工作记忆实验，观察分析前额叶皮质在WM过程中“记忆保持与回忆”阶段的激活性能变化和左右脑区在记忆活动中的表现差异，以探索前额叶皮质在字母工作记忆中的作用。

WM研究通常涵盖了各种主要的认知神经科学和心理学方法。其中，脑电图(electroencephalog-raphy,EEG)是大脑皮层神经元集群电活动的反映，EEG特征信息分析是近年来在该领域应用日益增多的技术。相对于检测成本较为昂贵的脑功能成像技术而言，EEG信号检测方法简便、无创、易行，并具有高时间分辨率，能从时频域、非线性和脑网络等多方位进行信息处理，可为WM研究提供客观、科学的实时性数据和在线处理结果。该技术还能明确区分WM过程的不同时段，更便于建立WM机制模型。EEG所特有的δ(0.5～4 Hz)、θ(4～8 Hz)、α(8～13 Hz)、β(13～30 Hz)节律波信号富含大脑神经思维活动与认知功能信息，常用于神经电生理和心理学研究以及临床诊断。其中，θ(theta)波属于低频节律脑电，有助于触发深沉记忆、强化长期记忆，被称为“通往记忆与学习的闸门”，与大脑工作记忆有着密切关系。Gartner等使用n-back实验发现，θ波在大脑“决策判断”阶段，会随着记忆负荷的增加出现去同步化现象[6]。Hsieh等利用脑磁图描记技术，观察到在大脑“记忆保持与回忆”阶段，海马组织的θ波幅会随着记忆负荷的增加而升高[7]。因此，本研究拟集中考察前额皮质与顶叶、中叶等脑区皮质在不同记忆负荷WM过程中θ波信号特征的变化，借助θ波的“记忆与学习闸门”表现，分析前额皮质在大脑“记忆保持与回忆”阶段的作用及脑区之间的关联性。

1 研究对象与方法

1.1受试者

组织了15 名研究生(9 名男生，6名女生；年龄23～31 岁，平均26.4 岁；均为右利手)参与字母工作记忆实验。受试者皆身体健康，无神经系统疾病，无精神病及家族病史，无脑部外伤史，且裸视力或矫正视力正常，并在实验前均知情和同意参加本实验。

1.2实验过程

采用经典Stemberg范式设计字母工作记忆实验流程。在实验中，要求受试者端坐于屏幕前，两眼注视屏幕中央处，先记忆不同数量的目标字母(对应不同记忆负荷时段)，然后判断测试字母是否与目标字母匹配(对应记忆保持与回忆时段)。图1所示为单次字母记忆实验流程：屏幕首先出现符号“+”(持续1 500 ms)提醒受试者注意；然后屏幕依次显示目标字母(每字持续500 ms，两字间隔250 ms)，要求受试者记住所有出现的字母；此后显示黑屏(持续3 000 ms)，受试者要努力回忆所记忆字母；黑屏后显示测试字母(持续2 000 ms)，要求受试者判断该字母是否为前时段所记忆的目标字母，若是按“1”键，否按“2”键。

图1 单次字母记忆负荷实验流程Fig.1 Flow diagram of single-pass memory load test of letters

整体字母工作记忆实验如图2所示，全程安排分为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。

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

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 kΩ,前额正中处接地，双侧耳部乳突为参考电极；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。

1.4.2θ波段脑电信号提取

采用小波变化(wavelet transform，WT)方法提取出各电极上的θ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[8]ψ(x)，有

ψ(x)=Ce-x2/2cos(5x)

(1)

使用ψ(x)对信号f(x) 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

(2)

式中，Wf(a,b)为小波系数，a为位移因子，b为尺度因子。

最后，再通过逆变换的方式实现信号重构，有

(3)

小波分解得到的θ波信号频率在4.6～9.3 Hz之间，符合θ波频率要求。

1.4.3能量分析

1.4.3.1功率谱分析

采用Welch法[9]，计算各电极的θ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xi(n)(n=1～m)，将xi(n)与窗函数w(n)(n=1～m)相乘并进行离散傅里叶变换得到Xi(ω)，即

(4)

(5)

(6)

1.4.3.2时频分析

采用短时傅里叶变换[10](short time fourier transform，STFT)，获得脑电信号的θ波段时频图。其原理为：将原始信号x(t)与窗函数m(t-τ)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

(7)

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x和y在θ波段的自功率谱Gxx(f)、Gyy(f)和互功率谱Gxy(f)[11]，两个电极在θ波段的相关系数可表示为

(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θ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 value，PLV)的方法[12]，评估θ波段下两个脑部电极之间的相位同步性。电极信号xi(t)和xj(t)的相位差可表示为

PLV=|(exp(j(ψi(t)-ψj(t)))|

(9)

式中，ψi(t)、ψj(t)为电极xi(t)、xj(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xi(t)、xj(t)进行Hilbert变换得到，即

(10)

式中，PV为柯西主值。

ψi(t)可表示为

(11)

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)θ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-中央叶右脑对应电极(F4-C4)与左脑对应电极(F3-C3)的θ波锁相比值PLVFC，以及前额叶-顶叶右脑对应电极(F4-P4)与左脑对应电极(F3-P3)的θ波锁相比值PLVFP，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θ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θ波段能量分析

图3 不同记忆负荷下各脑区对应电极θ波平均功率比较(配对t检验：*P<0.05；**P<0.01)Fig.3 Comparison of the average of theta band power spectral density for the different brain areas in different memory loads(Paired t test:*P<0.05；** P <0.01)

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θ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θ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θ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θ能量明显上升。

对字母工作“记忆保持与回忆”时段内各脑区对应的电极，进行了两种不同记忆负荷(3字母-5字母，3字母-7字母，5字母-7字母)条件下θ波段能量的配对t检验。结果显示，只有对应前额皮质脑区(腹内侧前额(FP1、FP2)、中间额叶(FZ)和背外侧前额(F3、F4))电极的θ波能量具有显著性差异(见表1)。

表1 两种不同记忆负荷下各脑区对应电极θ波段能量的配对t检验具有显著性差异结果Tab.1 The results of the paired t test statistical analysis for the theta band power from the different brain areas between two memory loads

注：*P<0.05，**P<0.01
Note：*P<0.05，**P<0.01。

对字母工作“记忆保持与回忆”时段内各脑区对应的电极，进行了3种记忆负荷(3字母、5字母、7字母)条件下θ波段能量的单因素方差F检验统计学分析。结果也显示，只有对应腹内侧前额(FP1、FP2)和中间额叶(FZ)及右背外侧前额(F4)皮质脑区电极的θ波能量具有显著性差异(见表2)。其中，中间额叶(FZ)的显著性最强。

将3种记忆负荷(3字母、5字母、7字母)条件下字母工作“记忆保持与回忆”时段内各脑区对应电极θ波段功率值分别绘制成脑地形图(见图4)。由结果看出，前额叶皮质脑区(对应FP1、FP2、F7、F3、FZ、F4、F8等电极)的θ波段能量要明显高于其他脑区，且随着记忆负荷增大，相应脑区θ波段能量亦逐渐增加。进一步观察发现，3字母记忆负荷下左侧半球脑区的θ波段能量稍高于右半球脑区的θ波段能量；而随着记忆负荷的增加，右侧半球脑区的θ波段能量会逐渐超过左半球脑区的θ波段能量。

表2 3种记忆负荷下各脑区对应电极θ波段能量的单因素方差分析F检验具有显著性差异结果Tab.2 Significant difference result of the F value used the one-way ANOVA statistical analysis for the theta band power from the different brain areas among three memory loads(“*” represents the significant difference

注：*P<0.05，**P<0.01.
Note：*P<0.05，**P<0.01。

图4 不同记忆负荷下“记忆保持与回忆”时段内θ波段的能量分布地形。(a)3字母记忆负荷；(b)5字母记忆负荷；(c)7字母记忆负荷Fig.4 Brain topography of the theta band power at the“memory maintain and recall”time phase in different memory loads.(a)Three letters memory load;(b)Five letters memory load;(c)Seven letters memory load

2.2不同记忆负荷下中间额叶皮质脑区对应FZ电极θ波段功率时频分析

图5 不同记忆负荷下中央额叶皮质脑区对应FZ电极θ波段的功率时频。(a)3字母记忆负荷；(b)5字母记忆负荷；(c)7字母记忆负荷Fig.5 Time-frequence analysis of the theta band power from the FZ electrode in different memory loads.(a)Three letters memory load;(b)Five letters memory load;(c)Seven letters memory load

根据前节不同记忆负荷下各脑区对应电极θ波段能量分析可知：中间额叶皮质脑区对应FZ电极θ波段功率随着记忆负荷增加而增大的差异性变化最为显著，故对该电极不同记忆负荷下的θ波段功率分别做了时频分析，得到时频图(见图5)。由结果看出：3字母记忆实验的WM负荷最小，其功率时频图中各点能量普遍较低，高能量点很少，维持时间很短；5字母记忆实验的WM负荷增加，其功率时频图中也增加了较多的高能量点，维持时间也延长，形成了较大时频面积的高能量区域；而7字母记忆实验的WM负荷最大，其功率时频图中高能量点最多，维持时间最长，形成高能量区域的时频面积也最大，几乎分布在整个“记忆保持与回忆”时段内。

2.3不同记忆负荷下各脑区对应电极θ波相关性分析

重点关注前述不同记忆负荷(3字母、5字母、7字母)条件下θ波段能量具有显著性差异变化的几个脑区(前额叶、中央叶和顶叶等)θ波信号的相关性，以探索各脑区在大脑WM过程中活跃程度的相互关系。

首先，比较分析了3种WM负荷下，各个皮质左右脑区对应电极(F3-F4、C3-C4、P3-P4)θ波之间的相关性系数(见图6)变化。可以看出，不同WM负荷下，前额皮质(F3-F4)左右脑区间θ波相关性皆高于中央叶皮质(C3-C4)和顶叶皮质(P3-P4)左右脑区间的θ波相关性；前额叶皮质(F3-F4)左右脑区θ波相关系数随着记忆负荷的增加而明显增大，中央叶皮质(C3-C4)和顶叶皮质(P3-P4)左右脑区θ波在5字母和7字母WM负荷时相关性也明显高于3字母负荷。结果说明，不同WM负荷下相关脑区的活跃程度不同，其左右脑区相互影响关联性也不同。随着WM负荷增加，其活跃度和相互影响都有所增强。

图6 不同记忆负荷下θ波段各脑区(前额叶、中央叶、顶叶)左右脑半球相关系数比较Fig.6 Comparison of correlation coefficientof theta band signalbetween right-hemisphere and left-hemisphere from different brain areas(Including prefrontal cortex、parietal cortex and central cortex) in different memory loads

图7 不同记忆负荷下左右脑同侧脑半球相关皮质(左侧前额叶-左侧中央叶F3-C3，-左侧前额叶-左侧顶叶F3-P3，右侧前额叶-右侧中央叶F4-C4，右侧前额叶-右侧顶叶F4-P4)θ波相关性系数比较。(a)(F4-C4、F3-C3)电极θ波相关系数；(b)(F4- P4、F3-P3)电极θ波相关系数Fig.7 Comparision of correlation coefficient of theta band signal between right-hemisphere and left- hemisphere from different brain areas(left prefrontal cortex-left central cortex:F3-C3、left prefrontal cortex-left parietal cortex:F3-P3、right prefrontal cortex- right central cortex:F3-C3、right prefrontal cortex- right parietal cortex:F3-P3).(a)(F4-C4、F3-C3)correlation coefficient of theta band signal; (b)(F4-P4、F3-P3)correlation coefficient of theta band signal

其次，比较分析了3种WM负荷下各个皮质同侧脑区对应电极(F4-C4、F3-C3、F4-P4、F3-P3)θ波之间相关性系数的变化(见图7)。图7(a)所示为前额叶与中央叶皮质同侧脑区之间对应电极(F3-C3、F4-C4)θ波之间的相关系数比较，由此可以看到，3字母WM负荷下左右同侧脑区之间的相关性差异不明显，但5字母和7字母WM负荷条件下右侧脑区的相关性明显高于左侧脑区的相关性；图7(b)所示为前额叶与顶叶皮质同侧脑区之间对应电极(F3-P3、F4-P4)θ波之间的相关系数比较，也可看到，3字母WM负荷下左右同侧脑区之间相的关性差异不明显，但5字母和7字母WM负荷条件下右侧脑区的相关性明显高于左侧脑区的相关性。

2.4不同记忆负荷下各脑区对应电极θ波相位同步性分析

图8显示为不同记忆负荷下右脑与左脑的锁相比值，其中图8(a)为前额叶-中央叶右脑与左脑的锁相比值PLVFC。从结果可以看出：WM负荷较低(3字母)时，左右脑相位同步性相似(锁相比值接近100%)；但随着WM负荷升高(5字母、7字母)，左右脑相位同步性产生差异(锁相比值明显高于100%)，说明高WM负荷下相位同步性右脑显著高于左脑；WM负荷由3字母增加到5字母时，左右脑相位同步性锁相比值有大幅度升高；而WM负荷由5字母进一步加大到7字母时，左右脑相位同步性锁相比值反而较5字母负荷时的锁相比值稍有降低，但仍超出100%。经统计学分析得出，3字母与5字母在WM负荷下同步性锁相比值有显著性统计差异(t=2.4；P<0.05*)，3字母与7字母在WM负荷下同步性锁相比值也有显著性统计差异(t=2.1；P<0.05*)，而5字母与7字母WM负荷下同步性锁相比值差异不显著。

图8 不同记忆负荷下相关皮质(前额叶-中央叶、前额叶-顶叶)左右脑θ波段信号的PLV 比值(配对t检验：*代表差异显著(P<0.05))。(a) 不同记忆负荷下前额叶-中央叶的PLV比值；(b) 不同记忆负荷下前额叶-顶叶的PLV比值Fig.8 Comparison of the ratio of right-hemisphere theta band signal to left- hemisphere theta band signal from different brain areas(prefrontal cortex-central cortex、prefrontal cortex-parietal cortex)in different memory loads(Paired t test:“*” represents the significant difference (P<0.05)).(a) The ratio of PLV from prefrontal cortex-central; (b) The ratio of PLV from prefrontal cortex-parietal cortex.

图8(b)为前额叶-顶叶右脑与左脑的锁相比值PLVFP，从结果可以看出：低WM负荷(3字母)下，左右脑相位同步性相似(锁相比值接近100%)；高WM负荷(5字母、7字母)时，左右脑相位同步性差异增大(锁相比值明显高于100%)，即相位同步性右脑显著高于左脑。统计学分析所得结果亦相似：3字母与5字母时同步性锁相比值有显著性统计差异(t=1.8，P<0.05*)，3字母与7字母时同步性锁相比值也有显著性统计差异(t=1.7，P<0.05*)，而5字母与7字母时同步性锁相比值差异不显著。

3 讨论与结论

通过以上不同记忆负荷下字母WM实验，考察分析了前额叶皮质与顶叶、中叶等脑区皮质所对应电极θ波信号能量、功率时频图、相关性系数和锁相同步性等参数变化特征及左右脑区之间的差异性，可以初步归纳出两条主要结果。

1)前额皮质在大脑信息保持方面起到了重要作用。考察分析结果表明：WM过程中，θ波能量前额叶皮质明显高于中央叶和顶叶皮质，且随WM难度、负荷加大而显著增加；前额叶左右脑区之间θ波信号的相关性明显高于中央叶和顶叶θ波信号的相关性，且随WM难度、负荷增加而明显升高，即活跃程度和信息交流程度前额叶皮质明显高于中央叶和顶叶皮质。以上结果说明，前额叶皮质在大脑信息“记忆保持与回忆”的过程中起到重要作用。在不同WM负荷下，前额皮质相对于顶叶、中叶等其他脑区皮质被更加有效地激活。研究前额叶皮质对于“记忆保持与回忆”阶段的作用机制，可能有两种不同作用：其一是前额皮质兼有记忆信息储存与保持功能，即记忆信息本身就存在于前额皮质中，信息保持是前额皮质不断调用自身信息的过程；其二是信息保持是前额皮质不断调用信息的过程，而记忆信息可能存储于其他皮质中，如顶叶皮质等，此时前额皮质的作用更像是中央执行单元。有报道，采用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)，结合经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)技术，发现顶叶皮质比前额叶皮质在记忆信息贮存中起更重要的作用[13]。

2)前额叶右侧脑区比左侧脑区在大脑信息保持方面更加活跃。本研究特别关注不同WM负荷下前额叶皮质与顶叶、中叶等脑区皮质所对应电极θ波特征参数的左右脑区之间差异性。结果表明：低负荷下左右脑前额叶皮质θ波能量相近，同步性相似；但随负荷增加，右脑前额叶皮质θ波能量比左脑有明显增加、相位同步性显著高于左脑，右侧脑区各皮质之间(前额皮质-中央叶皮质，前额皮质-顶叶皮质)θ波相关性、相位同步性也比左脑明显增加。也就是说，随WM负荷增加，右侧脑区前额叶皮质活跃程度和信息交流程度明显高于左侧脑区皮质。上述结果说明：左右脑区在WM活动中，虽然低记忆负荷时表现相近似，但随记忆难度增大、负荷加重，需要投入更多的皮质神经细胞参与WM活动，这时左右脑区将调整分工，使之在高记忆负荷时表现显著差异。有研究显示，左侧脑区主要负责逻辑推理和语言表达，右侧脑区则主要进行空间和形象思维[14]。右脑主要与图像表征、形象记忆有关[15]，有研究认为，使用“图像记忆法”(右脑记忆)可以提高记忆单词效率[16]，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忆实验，以脑电θ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。

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TheRoleofthePrefrontalCortexintheCharactersWorkingMemoryResearchBasedontheEEGThetaBandCharacteristicAnalysis

Li Song Jin Jingna Wang Xin Liu Zhipeng Yin Tao#*

(InstituteofBiomedicalEngineering,ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege,Tianjin300192,China)

The analysis of feature information for the prefrontal cortex EEG (electroencephalograph) 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-frequency 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 different 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 pairedttest and theFtest of single factor analysis of variance.With the increase of the memory load,the power of the theta bands in the prefrontal cortex (electrode:Fp1,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-P3,F4-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-C4) and the prefrontal lobe,parietal lobe (F4-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 cortexs.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.

EEG theta band; prefrontal cortex; characters working memory; memory load; right brain area

10.3969/j.issn.0258-8021.2015.02.003

2015-01-04，录用日期:2015-02-06

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)

R318

A

0258-8021(2015) 02-0143-010

# 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.com