颞叶癫痫工作记忆障碍theta振荡缺失的研究

郜姗姗 王一旭 曹娟 宋毅军

300052天津医科大学总医院神经内科，天津市神经病学研究所，天津市神经损伤变异与再生重点实验室（郜姗姗、曹娟、宋毅军）；300070天津医科大学基础医学院（王一旭）

颞叶癫痫工作记忆障碍theta振荡缺失的研究

郜姗姗 王一旭 曹娟 宋毅军

300052天津医科大学总医院神经内科，天津市神经病学研究所，天津市神经损伤变异与再生重点实验室（郜姗姗、曹娟、宋毅军）；300070天津医科大学基础医学院（王一旭）

目的颞叶癫痫（TLE）是一类重要的成人癫痫综合征，工作记忆障碍是TLE常见的认知障碍，研究TLE工作记忆障碍的神经机制具有重要的科学价值和临床意义。theta振荡是频率范围在4～8 Hz的大脑神经同步电活动，与工作记忆行为有密切的关系，因此本研究以TLE患者的工作记忆障碍为研究对象，研究其工作记忆行为学障碍时theta振荡的改变，为进一步研究TLE工作记忆障碍的神经机制提供参考。方法实验数据来自TLE组（18例TLE患者）和正常对照组（18名健康志愿者），在受试者执行延迟样本匹配范式视觉工作记忆任务的同时，记录34通道头皮脑电数据，选取长度为3 s的延迟时间脑电为工作记忆实验数据。应用傅里叶变换计算两组每个通道脑电的能量密度，选取对照组能量密度最大的通道为工作记忆特征通道；应用短时傅里叶变换方法计算两组特征通道脑电时频分布，选取对照组能量密度大的频段为工作记忆特征频段；计算两组每个通道脑电特征频率分量的能量密度空间分布。结果TLE组比正常对照组存在显著的工作记忆行为学低下：TLE组正确率较对照组显著减小（P＜0.05），反应时间较对照组显著加长（P＜0.001）；工作记忆的特征通道为额中线（Fz），特征频段为theta；TLE组比正常对照组Fz通道在特征频段的脑电能量密度明显减小（P＜0.05）；TLE组比正常对照组额区（7个通道）在特征频段的脑电能量密度明显减小（P＜0.01），以上差异均有统计学意义。结论Theta振荡的减弱与缺失是TLE工作记忆行为学低下可能的神经机制。

颞叶癫痫；工作记忆障碍；多通道脑电；theta振荡

Fund program:National Key Clinical Specialty Construction Project of China;Tianjin Research Program of Application Foundation and Advanced Technology(14JCZDJC35400,14JCYBJC28300)

0 引言

癫痫是临床中常见的神经系统疾病，颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy，TLE）是一类重要的成人癫痫综合征，50%以上的患者最终发展为难治性癫痫。TLE患者往往伴有认知障碍，工作记忆（working memory，WM）障碍是TLE患者常见的临床症状之一[1]。

工作记忆是一种重要的、在人们生活工作中处处存在的记忆形式，工作记忆是暂时存储和加工信息容量有限的系统，是计划和组织行为、语言、思维及决策等高级认知功能的基础。TLE伴发工作记忆障碍，往往会影响患者的健康和心理状态，影响治疗效果和预后。研究TLE患者在工作记忆行为学发生的障碍及其神经机制，为研究TLE患者发生工作记忆障碍的机制及临床的早期诊断、治疗提供思路和方法，具有重要的科学价值和临床应用意义。

近年来，在TLE发生工作记忆障碍的机制和临床研究中，国内外学者做了大量工作，分别从分子生物学[2]、脑解剖结构[3-4]、工作记忆功能磁共振成像[5-6]等方面探索了TLE发生工作记忆障碍的可能机制。例如，Winston等[4]对伴有海马硬化的TLE患者进行核磁共振、功能磁共振成像研究，结果提示海马硬化及大脑白质、灰质完整性损伤是TLE患者工作记忆障碍的原因。Stretton等[5]应用功能磁共振成像,研究TLE患者执行视空间工作记忆时的功能链接以及其与海马传出白质纤维的关系，结果提示支持TLE工作记忆功能的连接发生中断并与硬化海马异常的结构连接相关，顶-颞区的共同激活可能是TLE发生工作记忆障碍的机制。

根据脑电的生理意义，脑电的频率范围可分为δ（0～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～13 Hz）、β（13～30 Hz）、γ（30～80 Hz）5个频段。大量的研究发现不同频段神经振荡与认知行为学密切相关[7-9]，其中theta振荡是频率范围在4～8 Hz的大脑神经同步电活动，在认知行为中（包括在工作记忆中）起了重要作用。如Raghavachari等[10]发现，受试者在执行sternberg言语工作记忆任务时，其脑电theta活动在多个工作记忆对象编码的任务中更加显著。Staudigl和Hanslmayr[11]的研究发现，theta活动的能量增强与成功执行工作记忆任务紧密相关。

因此本研究从脑电theta振荡的角度，在计算TLE组工作记忆过程中多通道脑电在theta频段能量密度分布的基础上，研究TLE组工作记忆行为学发生障碍时theta振荡的改变，为进一步研究TLE工作记忆障碍的神经机制提供参考。

1 资料与方法

1.1 临床资料

受试者分为两组，分别为TLE组和正常对照组。TLE组严格遵守相关医学伦理和患者知情同意等问题的有关规定和要求，从2015年2～11月就诊于天津医科大学总医院神经内科癫痫专科门诊的患者中招募。根据国际抗癫痫联盟TLE发作和诊断方案，从符合入组标准的患者中随机抽取18例癫痫患者，其中男性11例、女性7例，年龄为20～55岁，平均年龄（36.8±12.2）岁；正常对照组为年龄、性别、教育程度匹配的健康志愿者18名，其中男性10名、女性8名，年龄为20～55岁，平均年龄（34.9± 10.8）岁。所有受试者视力或矫正视力正常，无肢体功能障碍。本研究涉及的实验经天津医科大学总医院伦理委员会批准通过。

1.2 方法

1.2.1 DMS视觉工作记忆行为学测试

图1 延迟匹配样本范式视觉工作记忆示意图

本研究应用延迟匹配样本范式（delayed matching-to-sample task,DMS）[12]，实施受试者视觉工作记忆实验，图片来源于Snodgrass图片库。范式示意图如图1所示，其中3 s延迟期为工作记忆特征时段，笔者重点分析了该时段数据。基于正常对照组在DMS范式下的工作记忆容量为4[13]，本研究选取了工作记忆负载为4，即每次出现4张图片。受试者在整个实验过程中须保持注意力集中，尽量记忆4张刺激图片，在3 s延迟期须对之前4张刺激图片尽量进行回忆，探测图片出现后须尽快、尽可能准确地进行判断并按键。正常对照组与TLE组分别进行各216次实验。计算受试者工作记忆行为学结果即行为正确率和反应时间。行为正确率是指在实验过程中受试者判断正确的实验个数占所有实验个数的比例；反应时间是指工作记忆行为学正确时，从探测图片出现至受试者按下按键所用的时间。本实验TLE组在执行任务时处于间歇期，未观察到癫痫发作。

1.2.2 工作记忆多通道脑电信号的采集与预处理

本研究应用美国尼高力公司脑电记录处理仪，在受试者执行工作记忆任务状态下和睁眼静息状态下同时记录34通道脑电，采样频率为1 024 Hz，电极位置依照国际10~20系统放置，其中1~34分别表示FP1、FP2、F3、F4、FC3、FC4、C3、CP3、C4、CP4、P3、P4、PO1、PO2、O1、O2、F7、F8、FT7、FT8、T3、T4、TP7、TP8、T5、T6、Fz、FCz、CPz、Cz、Pz、Oz、AF3、AF4（图2）。

图2 电极位置示意图

原始记录的脑电信号包含由眼动和肌肉收缩等造成的伪迹、50 Hz的工频干扰和基线漂移等噪声。根据同步记录到的垂直眼电和水平眼电，利用协方差方法去除眼动干扰；采用陷波滤波器，滤波频带设为49.5~50.5 Hz，滤除脑电信号的工频干扰；应用曲线拟合法，去除基线漂移。

1.2.3 工作记忆脑电的能量密度计算

预处理后工作记忆实验脑电数据，包括工作记忆的信息和静息状态的信息。TLE组工作记忆实验预处理后的脑电中包括了癫痫发作间歇期异常放电信息，因此计算工作记忆脑电能量密度（PWM）如下式所示

式中：PWM为工作记忆的脑电能量密度，Praw为工作记忆实验中预处理后的脑电能量密度，Prest为静息状态脑电能量密度。图3中：图A、B上下分别对应正常对照组与TLE组某一受试者相应分析对照组。Ⅰ组分别为正常对照组与TLE组某一受试者3 s延迟期预处理后脑电数据所得时频分布图，Ⅱ组分别为上述受试者3 s静息态脑电数据所得时频分布图，Ⅲ组分别为上述受试者工作记忆3 s延迟期时频分布图（Ⅲ组＝Ⅰ组-Ⅱ组）。

本研究中，分别应用傅里叶变换计算两组各216次工作记忆实验预处理后脑电（3 s）在单位频率内的平均能量（能量密度）和对应的216个3 s静息脑电的平均能量密度，相减获取工作记忆平均能量密度。

1.2.4 工作记忆脑电特征通道的选取

根据公式（1）计算正常对照组18名受试者34通道中每个通道工作记忆脑电的平均能量密度，应用方差分析方法选取34个通道中脑电能量密度最大的通道为工作记忆的特征通道；然后计算TLE组18名受试者共216次在特征通道工作记忆脑电的平均能量密度，应用t检验分析两组在特征通道工作记忆脑电能量密度的统计差别。

1.2.5 工作记忆脑电特征频率范围的选取

为进一步研究与工作记忆相关的脑电特征频段，笔者应用短时傅里叶变换（short-timeFouriertransform, STFT）计算正常对照组18名受试者共216次实验特征通道脑电的平均时频分布。选取正常对照组平均能量密度最大的频段为工作记忆特征频段。

图3 正常对照组和颞叶癫痫组某一受试者工作记忆时3 s延迟期某一通道时频分析

式中：g（t）为窗函数，本研究选取窗口尺寸为0.4 s的汉明窗，其窗口移动步长为0.1 s。

计算TLE组18名受试者共216次工作记忆脑电在特征通道的平均时频分布，应用t检验分析两组在工作记忆特征频段能量密度的差别。

1.2.6 工作记忆脑电在特征频率范围的空间分布

分别计算两组各18名受试者各216次工作记忆34通道脑电在特征频段分量的能量密度，画出能量密度的空间分布图。分析比较两组在工作记忆特征频段下特征通道及特征通道所在脑区的能量密度。

1.3 统计学方法

采用SPSS20.0统计分析软件进行处理，实验数据以均值±标准差（x±s）表示，采用方差分析法选取能量密度最大通道，应用t检验分析两组能量密度统计差异，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 TLE的工作记忆行为学障碍

TLE组与正常对照组的工作记忆行为学比较如图4所示：图4A显示TLE组与正常对照组的行为正确率分别为（91.60±0.93）%、（95.53±1.23）%，TLE组行为正确率较正常对照组低，其差异有统计

设脑电信号为x（t），其短时傅里叶变换为学意义（P＜0.05）；图4B显示两组的平均反应时间分别为（1 004.59±18.37）ms、（756.75±11.67）ms，TLE组平均反应时间显著大于正常对照组，其差异有统计学意义（P＜0.001）。结果表明TLE组存在工作记忆行为学障碍。

2.2 工作记忆的特征通道

正常对照组工作记忆34通道脑电平均能量密度的空间分布如图5所示，可见工作记忆时额中线（Fz）通道的平均能量密度最大，表明Fz通道为工作记忆的特征通道。

2.3 TLE在工作记忆特征通道的能量密度、特征通道的时频分布及特征频段的能量密度

图6A为正常对照组与TLE组工作记忆特征通道延迟期能量密度的比较，显示正常对照组与TLE组的能量密度分别为（0.212 9±0.012 2）μV2/Hz、（0.170 7±0.023 6）μV2/Hz，TLE组较对照组显著低，其差异有统计学意义（P＜0.01）。图6B为正常对照组与TLE组theta频段3 s延迟期能量密度比较，可见两组脑电theta频段的能量密度分别为（0.364 1± 0.009 0）μV2/Hz、（0.302 7±0.009 0）μV2/Hz，TLE组theta频段的能量密度显著低于正常对照组的能量密度，差异有统计学意义（P＜0.01）。图6C、6D分别为正常对照组与TLE组工作记忆3 s延迟期特征通道（Fz）的时频分布，由图6C可知，工作记忆的特征频段为theta（4～8 Hz）频段；由图6D可知，TLE组在3 s延迟期内脑电能量主要集中在theta频段。由上可知，TLE组在工作记忆特征通道及特征频段的能量密度减弱。

图4 正常对照组与颞叶癫痫组正确率和反应时间比较

图5 正常对照组34通道工作记忆延迟期全频段能量密度空间分布图

2.4 TLE在工作记忆特征频段能量密度的空间分布及特征通道在特征频段的能量密度

图6 正常对照组与颞叶癫痫组Fz通道能量密度、延迟期时频分布及特征频段能量密度比较

图7正常对照组与颞叶癫痫组延迟期theta频段能量的空间分布及theta频段在特征通道及特征通道所在脑区的能量密度

图7A、7B分别为正常对照组与TLE组脑电theta频段在3 s延迟期的能量密度空间分布，显示两组脑电theta频段能量密度均主要集中于额区，尤其以Fz最为显著。图7C、7D分别为在3 s延迟期两组脑电theta频段Fz通道及额区能量密度的比较，显示正常对照组与TLE组Fz通道theta频段能量密度分别为（0.326 4±0.008 8）μV2/Hz、（0.281 8± 0.008 9）μV2/Hz，TLE组Fz通道theta频段能量密度较低，其差异有统计学意义（P＜0.05)。正常对照组与TLE组额区（FP1、FP2、AF3、AF4、F3、F4、Fz）theta频段能量密度分别为（0.271 2±0.014 8）μV2/Hz、（0.191 0±0.009 9）μV2/Hz，与对照组相比，TLE组额区theta频段能量密度低且振荡弱，其差异有统计学意义（P＜0.01）。

3 讨论与结论

笔者研究发现，颞叶癫痫患者发生工作记忆行为学障碍以及工作记忆theta振荡的减弱。因theta振荡由谷氨酸能神经元和GABA能神经元相互作用产生[14]，谷氨酸能神经元和GABA能神经元分别产生中枢神经系统兴奋性和抑制性神经递质，这两种神经递质及其受体失衡与癫痫发作密切相关。推测颞叶癫痫发生theta振荡减少的可能机制是因颞叶癫痫常伴有海马硬化、存在谷氨酸和GABA受体的异常从而导致theta振荡减弱。

神经振荡与工作记忆密切相关，不同频率的神经振荡在工作记忆信息处理和存储过程中起了不同的作用：theta振荡在工作记忆中的主要功能是组织编码工作记忆对象的顺序，gamma振荡与工作记忆信息的存储有关，alpha振荡抑制了与工作记忆无关的信息，此外各个频率段振荡的协同也与工作记忆信息的处理、整合及存储有密切关系[15]。笔者只研究了在工作记忆中能量最大的theta振荡与工作记忆行为学的关系，今后应进一步研究颞叶癫痫工作记忆障碍与其他频率范围神经振荡缺失的关系以及研究工作记忆障碍与不同频率段振荡协同缺失的关系。

利益冲突无

[1]Helmstaedter C.Effects of chronic epilepsy on declarative memory systems[J].Prog Brain Res,2002,135：439-453.DOI：10.1016/ S0079-6123(02)35041-6.

[2]Schuler V,Lüscher C,Blanchet C,et al.Epilepsy,hyperalgesia, impaired memory,and loss of pre-and postsynaptic GABA(B) responses in mice lacking GABA(B(1))[J].Neuron,2001,31(1)：47-58.DOI：10.1016/S0896-6273(01)00345-2.

[3]Goldstein LH,Polkey CE.Short-term cognitive changes after unilateral temporal lobectomy or unilateral amygdalo-hippocampectomy for the relief of temporal lobe epilepsy[J].J Neurol Neurosurg Psychiatry,1993,56(2)：135-140.

[4]Winston GP,Stretton J,Sidhu MK,et al.Structural correlates of impaired working memory in hippocampal sclerosis[J].Epilepsia, 2013,54(7)：1143-1153.DOI：10.1111/epi.12193.

[5]Stretton J,Winston GP,Sidhu M,et al.Disrupted segregation of working memory networks in temporal lobe epilepsy[J].Neuroimage Clin,2013,2：273-281.DOI：10.1016/j.nicl.2013.01.009.

[6]Mueller SG,Laxer KD,Scanlon C,et al.Different structural correlates for verbal memory impairment in temporal lobe epilepsy with and without mesial temporal lobe sclerosis[J].Hum Brain Mapp, 2012,33(2)：489-499.DOI：10.1002/hbm.21226.

[7]Honkanen R,Rouhinen S,Wang SH,et al.Gamma oscillations underlie the maintenance of Feature-Specific information and the contents of visual working memory[J].Cereb Cortex,2015,25(10)：3788-3801.DOI：10.1093/cercor/bhu263.

[8]Tóth B,Kardos Z,File B,et al.Frontal midline theta connectivity is related to efficiency of WM maintenance and is affected by aging[J]. Neurobiol Learn Mem,2014,114：58-69.DOI：10.1016/j.nlm.2014. 04.009.

[9]Haegens S,Osipova D,Oostenveld R,et al.Somatosensory working memory performance in humans depends on both engagement and disengagement of regions in a distributed network[J].Hum Brain Mapp,2010,31(1)：26-35.DOI：10.1002/hbm.20842.

[10]Raghavachari S,Kahana MJ,Rizzuto DS,et al.Gating of human theta oscillations by a working memory task[J].J Neurosci,2001, 21(9)：3175-3183.

[11]Staudigl T,Hanslmayr S.Theta oscillations at encoding mediate the context-dependent Nature of human episodic memory[J].Curr Biol, 2013,23(12)：1101-1106.DOI：10.1016/j.cub.2013.04.074.

[12]Olson IR,Page K,Moore KS,et al.Working memory for conjunctions relies on the medial temporal lobe[J].J Neurosci,2006, 26(17)：4596-4601.DOI：10.1523/JNEUROSCI.1923-05.2006.

[13]Zhang D,Zhao H,Bai W,et al.Functional connectivity among multichannel EEGs when working memory load reaches the capacity[J]. BrainRes,2016,1631：101-112.DOI：10.1016/j.brainres.2015.11.036.

[14]Pignatelli M,Beyeler A,Leinekugel X.Neural circuits underlying the Generation of theta oscillations[J].J Physiol Paris,2012,106(3/4)：81-92.DOI：10.1016/j.jphysparis.2011.09.007.

[15]Roux F,Uhlhaas PJ.Working memory and neural oscillations：alphagamma versus theta-gamma codes for distinct WM information?[J]. TrendsCognSci,2014,18(1)：16-25.DOI：10.1016/j.tics.2013.10.010.

Study of absence of theta oscillation of working memory dysfunction in temporal lobe epilepsy

Gao Shanshan,Wang Yixu,Cao Juan,Song Yijun
Department of Neurology,Tianjin Medical University General Hospital;Tianjin Neurological Institute;Tianjin Key Laboratory of Neurotrauma,Variation and Regeneration,Tianjin 300052,China(Gao SS,Cao J,Song YJ);School of Basic Medical Sciences,Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China(Wang YX)

ObjectiveTemporallobeepilepsy(TLE),frequentlyaccompaniedbyworkingmemorydysfunction, is an important form of adult epilepsy syndrome.Study on neural mechanisms of TLE with working memory dysfunction has important scientific value and clinical significance.Theta oscillations are synchronous activity of the brain in the 4-8 Hz frequency range.It is well recognized that there is a close relationship between the theta oscillations and working memory behavior.TLE patients with working memory dysfunction were taken as the research subjects,and the theta oscillations absence in TLE with working memory behavioral disorder was carried out,which provide the reference for further research into the neural mechanisms of TLE with working memory dysfunction. MethodsThe 34-channel electroencephalographs(EEGs)were recorded from TLE group(18 TLE patients)and control groups(18 healthy subjects)while subjects were performing visual working memory(delayed matching-tosample)tasks.The EEGs during the 3 s delay period was analyzed as experimental data.Fourier transform was used to assess the EEGs spectrum.The channel with the strongest spectrum was selected as the feature channel.Short-time Fourier transform algosiths was employed to calculate the time-frequency representation of the feature channel for the TLE and control groups.Frequency band with the strongest spectrum was selected for control group as the feature frequency band in working memory.Then,the topographical maps of the feature frequency band spectrum were calculated for the TLE and control groups.ResultsCompared with the control group,the working memory behavioral performance of the TLE group was lower：accuracy of the TLE group was significantly lower than that of the controlgroup(P＜0.05),and reaction time of the TLE group was significantly longer than that of the control group(P＜0.001). The feature channel in working memory was frontal midline(Fz)and the feature frequency band was theta band.The Fz spectrum of the feature frequency for TLE was lower than that for control(P＜0.05).The frontal spectrum(seven channels)of the feature frequency for TLE was lower than that of control(P＜0.01).ConclusionsTheta oscillations for TLE with working memory behavioral disorder is absent,which maybe one of the possible neural mechanism of TLE with working memory dysfunction.

Temporal lobe epilepsy;Working memory dysfunction;Multi-channel electroencephalographs;Theta oscillations

宋毅军，Email：songyijun2000@126.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4181.2016.03.002

卫计委国家临床重点专科建设项目；天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目（14JCZDJC35400，14JCYBJC28300）Corresponding author:Song Yijun,Email:songyijun2000@126.com

2016-03-22）