健康儿童睁闭眼不同状态下多频段大脑磁活动研究

范玉颖 向 敬 刘雪雁 王 华

1.中国医科大学附属盛京医院小儿神经内科（辽宁沈阳 110004）；2.美国辛辛那提儿童医院脑磁图中心（美国辛辛那提 45229）

睁闭眼状态下后头部α 节律的变化是脑电图中最广为人知的生理现象。清醒安静闭眼状态下，枕区α波出现最多且波幅最高，睁眼时明显减弱或消失（与环境明暗程度无关）。以往对闭眼和睁眼差异的研究多集中在位于后头部的α波的变化。近年来，闭眼引起的其他电生理特性也在不断研究中[1-2]。脑电图相关研究中也已明确，闭眼和睁眼状态下δ、θ、β 频段存在差异，但高于β 频段的相关研究仍很少。由于头皮脑电图的空间分辨率的限制，脑磁图（magnetoencephalography，MEG）可能提供更多的信息，以更好地了解大脑活动的发展变化。MEG检测磁信号，磁信号可以通过头骨和皮肤而不会产生明显的衰减。一项健康成年人的MEG研究结果表明，闭眼可增加后脑区域α 频段的脑磁源强度，并调节β和低γ频段的大脑活动[3]。大脑不同频段的活动是随着年龄发育变化的[4-6]。本研究拟应用一种相对新的研究方法——累积源成像（accumulated source imaging，ASI）方法[7]，分析健康儿童在睁眼和闭眼不同状态下的多频段大脑磁活动特征。明确睁闭眼两种不同状态下的脑磁活动变化，能够反映发育中的大脑视觉处理模式的不同；为评估不同疾病的睁闭眼状态下的脑磁活动变化提供基础；为脑磁图和脑电图相关研究中睁闭眼不同状态的基线条件选择提供客观依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究于2008年6月—2012年5月招募美国辛辛那提地区健康的中小学学生作为研究对象。纳入标准：①年龄范围6～13 周岁；②所有受试者健康，无神经或精神疾病史。排除标准：①受试者不能在脑磁图扫描仪内保持静止及头部运动大于5 mm；②有一个不可移动的植入物，如耳蜗植入设备，起搏器等；③在他们的记录中有视觉可识别的噪声（波形振幅>6 Pt）。

本研究得到了美国辛辛那提儿童医院伦理审查委员会（No.2008-0461）的批准。

1.2 方法

1.2.1 MEG 记录 MEG 数据通过加拿大CTF 公司的MEG 系统获得，应用基于超导量子干涉装置（superconducting quantumn interference device，SQUID）的MEG系统进行检测，该系统在磁屏蔽室中对整个头部进行评估。在整个过程中，受试者被要求以仰卧的姿势舒适地躺着，手臂放在两侧，保持静止，目光直视上方或闭眼，保持清醒放松状态。为了识别系统噪声和环境噪声，实验前，记录无受试者状态下的MEG 数据，对MEG 数据进行三阶梯度噪声消除。MEG记录的采样率为每通道6 000 Hz。参照以往研究[7-8]，每位受试者在闭眼和睁眼条件下分别记录2分钟。

1.2.2 MRI 扫描 所有受试者均使用3 T Philips Achieva扫描仪（Philips Healthcare，3000 Minuteman Road，Andover，MA）进行MRI扫描。具体参照既往研究[7,9]，扫描序列包括横轴位T1自由水抑制序列，横轴位T2自由水抑制序列，横轴位T2加权序列，矢状位T 1 自由水抑制序列，冠状位T 1 加权序列。通过将脑磁图数据处理后显示的脑磁源成像与MRI影像进行融合处理，实现不同频段的脑磁源定位分析。

1.2.3 MEG 数据分析 MEG 数据分析参照以往的标准研究进行[7-8]。MEG数据的偏差在6 Pt内，被认为没有噪声或伪差，用以进行分析。MEG 数据通过滤波分成δ（1～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～12 Hz）、β（12～30 Hz）、低γ（30～55 Hz）、高γ（65～90 Hz）不同频段。本文使用AS方法进行脑磁源强度及定位分析。首先，需要提取特定时间段、特定频率段的信号进行时频分析，本文采用Morlet 小波变换：其中t表示特定时间段，f表示特定频率段，cσ表示归一化系数。根据公式即可将特定时间段和特定频率段的MEG 时域数据转换为频域数据。本研究使用ASI方法对MEG数据在特定时间段和特定频率段进行频谱分析。该方法的基本原理为：MEG信号的频域很广，范围在0.1～1 000 Hz，而在各频段处理的过程中，会导致部分MEG信道中的频谱能量较弱，采用ASI方法可以对各时间段及信道内的频谱能量进行累加处理，从而解决该问题。基于ASI 方法对脑磁图数据在特定时间段和特定频率段进行频谱分析，按照每5 秒一组的方式，对每一信道的时域波形进行分解，从而得到波形1、波形2、直至波形 N；对各个时间段的时域波形图进行Morlet 小波变换，得到对应的频谱图；将各个时间段的频谱图累加在一起，得到每一信道的累积源成像。脑磁源强度的测量采用软件包“MEG Processor”实现[7]。基于SQUID的MEG系统检测到的脑磁源绝对强度，可能会受到头部大小和/或头部位置的显著影响，因此参照相关文献[10-11]，本研究进行了脑磁源相对强度的分析，即每个频段的绝对强度除以总的绝对强度，得到的数值范围为0.0～1.0。

1.3 统计学分析

采用SPSS 19.0 统计软件进行数据分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示；非正态分布计量资料以中位数（P25～P75）表示，组间比较采用Wilcoxon 秩和检验。计数资料以例数（百分比）表示，组间比较采用Fisher精确概率法检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况

本研究共招募健康受试者28名，排除4名；有2名参与者由于牙齿有其他金属设备可能产生磁噪声而被排除在外，1 名参与者由于无法进行MRI 扫描而被排除在外，还有1 名参与者由于过度运动而被排除在外。最终纳入研究24名，平均年龄（10.3±2.4）岁，男生14名、女生10名。所有受试者配合度均良好。

2.2 闭眼和睁眼状态组脑磁源绝对强度和相对强度比较

闭眼状态组的δ、θ、低γ、高γ 频段脑磁源绝对强度较睁眼状态组的差异无统计学意义（P>0.05）。见表1。

表1 儿童睁闭眼静息态不同频段脑磁源绝对强度比较[M(P25～P75)]

与睁眼状态组相比，闭眼状态组儿童α 和β频段脑磁源相对强度显著升高，差异有统计学意义（P<0.01）。闭眼状态组的δ、低γ 和高γ 频段脑磁源相对强度较睁眼状态组显著降低，差异有统计学意义（P<0.05）。见表2。

表2 儿童睁闭眼静息态不同频段脑磁源相对强度比较[M(P25～P75)]

2.3 脑磁源定位分析

每个频段通常有1～3 种脑磁源位置，这些位置的源强度明显高于大脑其他部位的同频段脑磁源活动。在睁闭眼不同状态下，对各频段每位受试者最强的脑磁源位置进行计数分析，Fisher精确概率法结果显示，各频段的脑磁源位置分布在睁、闭眼状态下差异无统计学意义（P>0.05），见表3。1 例13 岁健康男童睁闭眼不同状态下的脑磁源图像定位见图1。

图1 1 例13 岁健康男童睁闭眼不同状态下脑磁源图像定位

3 讨论

本项目研究了健康儿童睁眼和闭眼不同状态下的多频段脑磁源活动的差异。通过对脑磁源绝对强度和相对强度的分析比较，本研究发现睁眼和闭眼不同状态下，大脑活动在较宽的频率范围内发生显著变化。闭眼可以调节多种频率范围内的大脑生理活动，包括既往研究较少的γ 频段。脑磁源定位分析显示各频段的脑磁源位置在睁闭眼状态下无显著差异。

一项关于成人睁闭眼对头皮脑电活动影响的研究结果发现，睁眼状态与闭眼状态相比，整个头皮的δ、θ、α和β活动绝对值均有所减少[13]。在随后的一项针对30 名8～12 岁儿童的研究中，发现了类似的改变[14]。在本研究中，α 和β 频段的中位绝对强度在健康儿童中显示出相似的变化。本研究没有显示儿童在闭眼和睁眼状态时δ 和θ 波段绝对强度的显著变化。由于方法上的差异，头皮脑电图的结果可能与脑磁图的结果不同。MEG 对颅骨厚度和皮肤电导不敏感，不需要参考电极[15]。由于头皮脑电图的局限性，相关研究应用颅内脑电数据观察了睁闭眼不同状态下大脑活动的变化，该研究是在对成年癫痫患者进行有创的皮层脑电图（electrocorticogram，ECoG）监测期间完成的[16]。研究发现，闭眼引起δ、θ 和β 频段强度增加；而高频段（30～120 Hz）强度下降，这在以往的脑电图研究中未见报道[16]。本研究的结果显示，睁眼和闭眼不同状态的高频段绝对强度没有显著变化，与以往这项ECoG 研究不同；本研究对象为健康儿童，而ECoG 研究包括成人癫痫患者，MEG 在方法上也与ECoG 不同。脑磁源绝对强度可能会受到头部大小和/或头部位置的显著影响，为将上述的干扰因素降到最低，参照其他的脑电图和MEG 研究[10-11]，本研究同时分析了相对强度；睁闭眼不同状态的高频段脑磁源相对强度变化显著，与以往的ECoG研究结果相似。基于光泵磁力仪（optically-pumped magnetometers，OPMs）的新型脑磁图系统（OPMMEG），由于传感器与大脑的距离较近，适合所有头部大小，OPM-MEG记录的信噪比（SNR）相对较高，利用OPM-MEG这一新技术研究闭眼对大脑活动的影响将更理想[17]。OPM-MEG 是当前研究热点，具有非常好的应用前景[18]。

闭眼和睁眼状态下，α 频段以外的其他频段脑活动差异反映了皮层对视觉输入的加工[13-14]。近来，有多项有关健康受试者的视觉相关的γ振荡的研究报道，这些研究结果为γ活动在视觉感知中的作用提供了新的见解[19-21]。本研究对象为年龄6～13 岁的儿童，平均年龄为10.3 岁，研究结果与近来的一项脑电图研究中青春期前的儿童组结果相似[6]。以往的一项MEG 研究结果显示闭眼可以增加成年人后头部α 频段活动，并调节β 频段和低γ 频段范围的大脑活动[3]，该研究采用的是快速傅里叶变换方法；本项目不同于以往的脑电图和MEG研究，采用了更加先进的基于小波变换的波束形成方法，对发育中的儿童进行了研究。

本研究比较了儿童睁眼和闭眼时脑磁源位置的空间分布，与既往研究中正常组儿童的结果相似[22]。虽然在个体水平上发现了一些脑磁源位置存在差异趋势，且个体间的变异模式不尽相同，但在群体水平上没有发现显著的变化，有待扩大样本量进一步研究。在闭眼时，本研究显示了与既往MEG研究相似的发现，β 和低γ 振荡位于后头部[3]。以往文献研究表明，大脑活动随年龄发育不断变化[4-6]。本项目由于样本量小的局限性，尚未研究6～13 岁不同年龄段的睁闭眼状态下不同频段脑磁活动的变化。

综上，本研究结果表明，在发育的大脑中，闭眼和睁眼不同状态，大脑活动在较宽的频率范围内，存在着特定频率的变化。这种频率特异性的脑活动变化，可能反映了大脑发育过程中视觉处理或默认网络的成熟。睁眼静息态下，由于更多视觉信息的输入和处理，与安静闭眼静息态相比，视觉网络活动增强。默认网络是大脑自发意识行为的神经基础，是静息态下最基础和最重要的脑网络之一。安静闭眼是目前研究最多的静息态，与安静睁眼的静息状态相比，默认网络保持较强活动。建议在进行MEG或脑电图研究时，应考虑闭眼和睁眼的基线条件差异。这些措施也可能提供一个临床工具来评估不同疾病的大脑功能状态，如偏头痛等。未来还需进行更多的研究工作，包括明确睁闭眼是否影响其他频段的活动，如高频振荡等。