卒中后失语工作记忆的事件相关电位及时频特征

黄幸， 常静玲， 张梓寒， 李颖

1.北京中医药大学东直门医院，北京市 100070；2.北京中医药大学第三附属医院，北京市 100029

0 引言

脑卒中具有高致残率、高复发率和高死亡率，是全球第二大死亡和残疾原因，失语是脑卒中常见的致残病变和后遗症之一，在脑卒中的发病率高达38%[1-2]。卒中后失语(post-stroke aphasia, PSA)患者多伴有记忆等非语言认知障碍[3]，且存在一定的关联[4]，给家庭和社会带来沉重负担。工作记忆是大脑高级认知活动的关键，参与并组成学习、推理、解决问题和智力过程，是早期检测认知功能下降的敏感指标。失语症患者语言功能的缺陷与工作记忆受损有关[5]，工作记忆受损的患者也存在语言学习障碍，语言区及其附近的损伤可能影响大脑工作记忆网络的完整性[6-7]。现有的工作记忆研究对PSA 机制研究较少，运用脑科学技术深入研究其机制非常必要，对今后临床疗效研究有重要价值。

脑电图(electroencephalogram, EEG)因其时间分辨率高，可实时监测大脑动态活动，已被广泛运用于PSA 脑损伤机理探讨研究，为PSA 的神经机制提供有效技术支持。皮质神经脑电振荡活动在大脑神经信息传递和控制方面起着关键作用，反映语言、记忆、注意力、学习和决策等认知功能。不同频段的神经振荡活动存在于工作记忆任务过程中，α 频段主要代表语言相关的频段[8]，θ频段与语言和记忆功能相关。

本研究采用适用于PSA 的工作记忆任务，基于延迟匹配范式，探讨影响PSA 工作记忆学习的可能因素，探究PSA患者工作记忆特征变化规律，为PSA的工作记忆等非语言认知康复提供评价指标以及诊疗新思路。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2020 年9 月至2021 年2 月，于北京中医药大学东直门医院就诊的发病1～6 个月的PSA 患者8 例(PSA组)，所有受试者母语为汉语，经Edinburgh 利手量表测定为右利手，小学以上文化程度，波士顿诊断性失语症检查(Boston Diagnostic Aphasia, BDAE) 2～4 分，无痴呆及精神障碍史。同时社会招募年龄、受教育程度相匹配的健康成人志愿者8 例有偿参加试验(HC组)。所有受试者自我报告无情感障碍历史和使用精神药物的情况，裸视或矫正视力正常。

本研究经北京中医药大学东直门医院医学伦理委员会审批通过(No.2020DZMEC-092-03)，并在国家医学研究登记备案信息系统备案(No.MR-11-20-004253)。每例受试者在试验前签署知情同意书。

1.2 数据采集

所有PSA 患者记忆功能均采用听觉词语学习测验(Auditory Verbal Learning Test, AVLT)和数字广度测验(Digit Span Test, DST)进行评价。AVLT 用于评估记忆能力，包括即刻回忆、短延迟回忆、长延迟回忆、正确再认和正确否认等，包含对记忆的编码、存储、提取、注意力和词汇能力，可评估患者的学习能力、记忆保持能力以及辨正能力等。DST[9]应用于短时记忆的评估，通过检测受试者对一串长短不一数字顺背和倒背的能力，评估受试者的短时记忆和工作记忆。

1.3 实验设计

本研究采用的视觉工作记忆任务是基于黑白线条画的视觉记忆任务刺激软件，已获批计算机软件著作权(2020SR1692298)，此刺激程序在E-Prime 2.0 软件中编程，刺激材料从国家语言文字工作委员会发布的《现代汉语常用词表》词频最高的12 000 个词中选出88个物体名词，再筛选出均为两个字、画出来易于分辨且日常生活熟悉内容的60个名词的图片。①实验开始后，首先呈现“*”2 s，准备开始实验。②在屏幕4个象限同时呈现“图片1”(左上)、“图片2”(右上)和图片3”(左下)、“图片4”(右下) 4 s。③呈现“+”2 s，要求受试者尽可能回忆前面4 张图片内容。④呈现随机图片2 s，可能是之前4 张图片的内容，也可能为图片库的其他图片，要求受试者在2 s 内尽可能快地做出图片是否出现过的判断；图片出现过按左键，未出现过按右键。⑤呈现随机的2～4 s 的空白图片，要求患者尽量放空忘记之前的内容。⑥重复上述过程，以60 组图片为单位，完成120 组图片出现的判定。见图1。同时采集脑电信号。

图1 基于黑白线条画的视觉工作记忆任务范式Figure 1 Visual working memory task paradigm based on black and white line drawing

1.4 EEG数据采集

采用64导电极帽的脑电记录系统(澳大利亚NEUROSCAN 公司)。采集数据前嘱受试者清洗头发，避免因头皮电阻过高而影响数据质量。受试者处于环境安静的测试室中，保持心情放松，舒适姿势就坐，按照10/20 国际脑电记录系统放置记录电极，以FCz 接地，系统默认参考电极为双侧乳突，采样频率1 000 Hz，各个通道阻抗＜ 5 kΩ。正式记录前让受试者熟悉实验流程及按键操作，嘱受试者减少头动，尽量克制吞咽口水、眨眼和眼球移动等动作。

1.5 EEG数据分析

采用Matlab2019a 和EEGLAB14.1.1 工具包(The MathWorks 公司，https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php)进行EEG 数据的预处理。以全脑平均做参考；分段时长为刺激呈现前200 ms至刺激出现后800 ms，将刺激出现前200 ms 作为基线，采用0.1～70 Hz 的带通滤波；同时去除心电、眼电、肌电伪迹。将脑电64个电极进行聚类，定义9 个感兴趣区域(region of interest, ROI)进行描述[10]，具体为左侧前额区F3、F7、FC5；左侧中央区T7、C3、CP5；左侧顶枕区P7、P3、PO3；中央前额区FC1、FZ、FC2；中央区CP1、CZ、CP2；右侧前额区F4、F8、FC6；右侧中央区C4、CP6、T8；右侧顶枕区P4、P8、PO4。对每个受试者EEG数据叠加平均，提取出现和未出现两种条件下的ERP波形，时间窗选择[11-13]分别为N1 80～150 ms，P2 150～280 ms，P300 250～500 ms，对峰值点的幅值进行差异性统计，同时对有差异峰值点的全脑幅值水平行脑地形图描绘。对预处理后的数据使用短时傅里叶变换(short-time Fourier transform, STFT)，得到能量，在不同脑区，每个频段δ (2～4 Hz)、θ (4～8 Hz)、α1 (8～10.5 Hz)、α2 (10.5～13 Hz)、β1 (13～20 Hz)、β2(20～30 Hz)和γ (30～40 Hz)，对两组出现条件、未出现条件以及不分条件进行比较。并用FDR校正方法对各个脑区统计比较的显著性进行校正，取校正后P＜0.05作为显著性差异。

以习近平为核心的党中央在党的十九大会议上提出“不忘初心，牢记使命”。“初心”是实现民族复兴的历史使命。带着这样的初心，中国共产党积极面对与分析当前的新形势与党内所存在的问题，提出必须全面从严治党，并反复强调全面从严治党是中国共产党长期坚持的战略，只有让全面从严治党永远在路上，我们党才能保持其先进性，才能领导全中国人民早日实现中华民族伟大复兴的“中国梦”。[1]

1.6 统计学分析

采用R 3.6.1进行统计学分析。计量资料若服从正态分布，采用独立样本t检验；若不服从正态分布，采用Wilcoxon 秩和检验。对于有差异的EEG 指标与记忆量表进行相关性分析，若满足双变量正态分布则用Pearson 相关分析，否则用Spearman 相关分析。显著性水平α= 0.05。

2 结果

2.1 一般资料

6 例受试者数据因脑电试验完成度差、伪迹噪声大等因素被剔除。最终纳入10 例均为右利手的分析，其中PSA 组5例，HC 组5例。两组年龄、受教育年限比较无显著性差异(P＞ 0.05)。见表1。

表1 两组基线资料比较Table 1 Comparison of baseline data between two groups

PSA 组入组时记忆量表(AVLT/DST)各分项成绩见表2。

表2 PSA组入组时记忆量表各项评分Table 2 Memory scale score of PSA group enrolled

2.2 ERP

任务态下在前额区诱发N1 和P2 成分，在顶枕区诱发P300成分。见图2。

图2 ERP成分差异的脑区波形图Figure 2 Brain region waveforms of ERP component differences

在出现条件下，两组N1 平均振幅明显效应表现在中央前额区(P＜ 0.05)，P2 在中央前额区和中央区(P＜ 0.05)，P300 在右侧顶枕区(P＜ 0.05)。见图3。两组各成分的瞬时全脑拓扑显示，N1、P2 在脑地形图中在出现条件下前额区激活增强，P300 地形图可见PSA组较HC组在右侧顶枕区活动降低。见图4。

图4 三种成分的脑地形图Figure 4 Three-component brain map

2.3 不同频段的时频分析

通过对ERP 的信号采用STFT 进行不同频段的时频分析，结果显示，PSA 组和HC 组工作记忆任务下能量有差异的时频特征主要体现在未出现条件下的左侧顶枕区、左侧中央区、中央顶枕区、右侧前额区。见图5。

图5 未出现条件下差异显著的两组时频特征Figure 5 Significant differences time-frequency characteristics in never appeared condition between two groups

在未出现条件下，与HC 组比较，PSA 组在时间窗250～500 ms (P300)的θ频段范围表现为右侧前额区、中央顶枕区的能量值降低(P＜ 0.05)；时间窗150～280 ms 的α1 频段范围表现为左侧顶枕区能量值降低(P＜0.05)；时间窗80～150 ms 的γ 频段范围表现为左侧中央区的能量值增加(P＜ 0.05)。见图6。

2.4 脑电频段的能量值与记忆成绩相关分析

将组间有差异的区域差异显著频段频率能量值与记忆功能的量表进行相关性分析，结果发现，γ 频段的能量与AVLT-即刻回忆(r= 0.914,P= 0.030)、AVLT正确再认(r= 0.931,P= 0.022)、DST-倒背(r= 0.924,P= 0.025)、DST-顺背(r= 0.889,P= 0.044)强正相关。

3 讨论

3.1 工作记忆训练改善PSA患者的认知可行性

失语症患者的工作记忆功能出现不同程度障碍，工作记忆训练可激活大脑左侧前额叶和顶叶皮质，重组大脑功能激活网络[14]。有研究证明，工作记忆训练可活跃运动性失语患者前额叶语言区，重组大脑功能激活网络，有助于失语患者语言功能的恢复[15]。失语症的恢复依赖于神经可塑性，即幸存大脑区域的功能重组，使其在语言处理中扮演新的或扩展的角色[16]。目前用于工作记忆的范式主要有延迟样本匹配范式、倒数n 项任务、工作记忆广度任务、N-back 范式、变化察觉范式和连续报告范式等。本研究工作记忆任务的优势体现在可模拟工作记忆训练场景，促进康复。

本研究采用的视觉工作记忆任务是针对PSA 患者的刺激任务，属于延迟样本匹配任务范式范畴，该范式的核心思想是受试者先记忆内容，之后保持回忆，最后根据复现的探测内容作出判断。考虑到PSA 患者语言功能严重受损，存在完成复杂句子任务困难，加之心理上大多存在不同程度焦虑抑郁，为提高试验依从性，尽量减少语义理解难度和其他心理因素对试验结果的影响。

本试验紧密结合PSA 患者的疾病特征，选取黑白手绘素描画组成的难度较低的图-图匹配视觉工作记忆试验任务。试验流程以练习与试验程序串联模式，先多组练习记忆任务以熟悉流程，正式试验设计两组时长，中间闭目休息10 min，减少视觉疲劳和注意力分散等影响，保证试验数据可靠性。考虑到PSA 存在不同程度的非语言认知障碍，包括记忆功能受到语言受损的影响，对信息处理加工的反应时较正常人更长，本设计综合考虑记忆任务的刺激间隔及刺激呈现时间，结合预实验对一系列需要记忆的刺激材料和探测内容分别呈现4 s 和2 s，对刺激间隔呈现时长为随机的2～4 s，期间让患者尽可能忘记之前的内容，保持大脑平静，以免每次记忆的内容影响下一次的判断，达到能够对刺激进行有效反应并提高实验的有效率。在任务刺激下，工作记忆的ERP成分可在前额等脑区诱发明显的效应，提示本试验范式可有效反映PSA 患者记忆功能情况，且两种试验条件可有效区分效应的差异。此视觉工作记忆任务可调动PSA 语言损伤后记忆相关脑区代偿活动，可作为PSA 工作记忆相关研究的评价客观指征，具有一定适用性和可推广价值。

3.2 基于ERP技术对PSA患者工作记忆特征分析

ERP 的任务态研究中，N1 和P2 都与注意有关，前者标志着早期的视觉选择注意[17-18]，后者与注意卷入知觉加工有关[19]。最近的研究将N1 和P2 与听觉感知学习以及感知和记忆能力的训练联系起来，这些焦点集中在神经可塑性和神经元重组的评估上。本研究视觉工作记忆任务刺激下都诱发N1 和P2。P2 倾向于在顶点(CZ)呈现最大振幅，一般都在头皮前部观察P2，因P2 在头皮后通常与P300 重叠而难以区分，本研究明显的P2 出现在前额和中央区域，且在顶枕区发现明显的P300 成分。既往研究[13,20]通过言语和空间工作记忆，也诱发了ERP 成分中的N1、P2 和P3，并对P3成分潜伏期振幅进行特征分析。有研究[21]对健康青年人进行延迟反应工作记忆任务的ERP研究，在延迟样本匹配的范式下，材料诱发明显的N 波、P 波以及P300成分，且在顶叶、中央前额等脑区诱发N100，诱发的P200 在中央前额区峰值最大，并且在顶枕也记录到明显的P300。这与我们研究的任务状态下出现的成分以及脑区相近。

本研究发现，PSA 患者较健康受试者的N1 成分在中央前额区的振幅下降，说明在很早期的视觉任务过程中PSA 患者注意力加工较健康受试者困难；随着PSA 患者尽快调入注意资源，加工时长相对缩短。随后刺激进行中，PSA患者P2成分的平均振幅均在中央前额区高于健康受试者，说明代偿性的振幅增加在早期占据一定的资源，在接受视觉工作记忆任务时，工作记忆广度受损的PSA 患者可利用语法结构进行代偿辅助理解[22]，PSA 患者因语言损伤，工作记忆认知加工水平降低，在工作记忆过程中注意资源减少，因此为更好地做好准备，在早期执行任务时其注意力需要调动更多的认知加工资源于现有的任务之中，这与之前的研究结果相近[12]。

本研究PSA 患者N1 和P2 成分的诱发，表现在前额区ERP差异较健康人明显。前额区是工作记忆的核心脑区。短时记忆或工作记忆与句子理解相关，左侧背外侧前额叶皮质、Broca 区、颞上回和角回等脑区同时参与记忆和句子理解过程，前额区的代偿性激活也代表工作记忆脑区对语言功能损伤的代偿机制。本研究在右侧顶枕区发现明显的P300 成分。最初对P300 描述是因为在晚成分中300 ms 作用出现的正波，也反映工作记忆加工和注意资源投入的过程[12]，包括认知和工作记忆层面对P300 振幅的测量研究[23-25]。本研究PSA 患者的晚期成分P300 振幅较健康受试者明显下降，且在顶枕区的活动减弱，提示PSA 患者可能在语言受损后工作记忆等认知加工受到影响，且工作记忆中的再次提取过程受损，并影响视、听觉语言中枢附近的神经元活动。

3.3 EEG时频分析与PSA患者工作记忆相关性

通过时频分析不同频段的振荡也代表语言和工作记忆加工的不同过程。有研究发现调节工作记忆神经活动的机制可能与α 和γ 等频段在视觉中枢和额顶叶的同步性活动有关[26]。这与本研究工作记忆任务态下产生的α、γ 频段活动相类似。γ 与语义处理相关，且研究显示在PSA 工作记忆任务中γ 频段可在左侧区有同步效应[5]，反映PSA 受损的语音回路。本研究中发现多个频段变化的特征，γ 振荡活动代偿性增加，提示γ 振荡参与工作记忆神经电活动。短时记忆任务研究中，γ 频段在额顶叶增强并且呈现额顶叶流动[27]，前额叶γ 频段的脑电评估对工作记忆影响的研究也在开展[28]。有研究也发现，γ 振荡可同步不同脑区神经元活动，在延迟匹配任务时期，枕叶γ振荡能量增强，反映工作记忆下的神经细胞活动[29-30]。本研究显示，PSA 患者较健康受试者在左侧中央区γ 频段能量代偿增强，并且与即刻回忆、正确再认、顺背和倒背存在强正相关关系，说明γ 振荡在任务态下激活明显，以代偿语言和记忆的加工过程。

有研究发现，工作记忆过程中α 振荡的能量增加主要在背侧顶枕区的中线区域[31]。α 振荡增强反映的是大脑后部区域的抑制，可以抑制与工作记忆无关的区域活动并维持，可减少信息输入的干扰[32-33]。另有研究发现，一些患者执行延迟匹配任务时，γ 振荡的增加伴随着θ 和α 的减少，且短时任务刺激下，双侧额叶和左顶叶低α (6～8 Hz)功率降低[34]。这与本研究的时频分析结果一致。本研究的PSA 患者α 频段相比健康受试者在左侧顶枕区的能量下降，考虑顶枕部抑制解除，无法有效抑制和维持工作记忆其他区域的活动，与之前的研究结果相近[35]。

工作记忆时θ 振荡主要在前额叶等区域产生[36]。有研究发现，在延迟匹配工作记忆任务过程中在额区会存在θ 振荡的变化，额区发挥重要作用且此部位的θ振荡能预测工作记忆表现[37-38]。认知障碍患者在视觉工作记忆中θ 频段能量密度降低，且反应时间延长[39-40]。本研究的PSA 患者较健康受试者右侧前额区和中央顶枕区θ 频段能量降低，这与之前的研究对PSA 非损伤侧及右侧的脑电功率谱网络连接在颞顶、顶枕区与额、额顶和额中央区的θ 频段功能连接减弱结果相近[41]，也有研究有类似结论[42]，考虑是患者因工作记忆障碍而致θ 振荡降低，与本研究结论相近。本研究的θ 频段在顶枕和前额区的能量降低都提示与PSA 患者的语言功能和工作记忆受损有关。因此，θ振荡确实可能是PSA记忆障碍的神经机制特征。

本研究为小样本的观察性探索性试验研究，仅用于探索验证工作记忆特征变化规律，在此基础上未来将开展大样本随机对照试验研究，进一步对研究结果进行验证。

4 结论

本研究运用视觉工作记忆任务，采用ERP 技术和时频分析探讨PSA 患者的工作记忆神经电生理特征，观察PSA 患者工作记忆任务的ERP 中N1、P2 和P300成分的神经电活动振幅，以及α1、θ 和γ 频段变化，反映PSA 语言和工作记忆功能损伤和代偿情况，3 个频段可作为语言和工作记忆损伤交互影响的客观指征，对今后临床治疗PSA 工作记忆障碍提供参考，ERP 和神经振荡频段的变化为研究PSA 工作记忆障碍提供新思路。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。