黃 磊，潘群皖，朱再滿(mǎn)，高春芳，李 田，徐曉燕

(皖南醫(yī)學(xué)院 1.麻醉與影像設(shè)備教研室；2.生理學(xué)教研室，安徽 蕪湖 241002)

有研究表明，藥物成癮期間腦電的變化，可反映與藥物依賴(lài)有關(guān)的認(rèn)知活動(dòng)[1]，海洛因誘導(dǎo)所產(chǎn)生的條件性位置偏愛(ài)(conditioned place preference,CPP)大鼠的覓藥行為，與大腦前額聯(lián)絡(luò)皮層(front association cortex，F(xiàn)rA)的神經(jīng)元功能及其突觸間基質(zhì)蛋白的改變有關(guān)[2]。我們先前的實(shí)驗(yàn)表明，海洛因誘導(dǎo)CPP大鼠黑-白箱(伴藥箱)穿梭時(shí)， FrA區(qū)腦電與對(duì)照組比較，顯示δ波百分比減少，β1、β2、α1、α2波百分比增加，尤以左側(cè)FrA顯著[3]。但也有報(bào)道在嗎啡-誘導(dǎo)CPP狀態(tài)下，大鼠左右側(cè)皮層δ、θ、α1、α2、β1、β2腦電波及絕對(duì)功率降低[4]，這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，推測(cè)可能與不同用藥狀態(tài)或腦電記錄數(shù)據(jù)選取的時(shí)間有關(guān)，譬如大鼠處于麻醉狀態(tài)、海洛因注射即刻(藥物注射2 h內(nèi)，呈類(lèi)嗜睡樣狀態(tài))和戒斷狀態(tài)(藥物注射后12 h后，清醒活動(dòng)狀態(tài))下，所記錄的腦電可能存在差異。眾所周知，腦電特征提取分析方法大致可分為時(shí)域、頻域及復(fù)雜度分析三大類(lèi)方法，其中時(shí)域分析方法就是通過(guò)查看腦電時(shí)域波形圖上能突出反映某些重要信息(如癲癇腦電中的棘慢波)的峰值電位及波形的持續(xù)時(shí)間等參數(shù)來(lái)辨別非正常病理信息,其具有很強(qiáng)的直觀性及明確的物理意義，在定量化分析腦電信號(hào)中占有重要地位。其缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮腦電信號(hào)在頻率上的分辨率,而腦電頻率變化是藥物作用及各種生理、病理狀態(tài)下腦電變化的主要特征[5-6]；而頻域分析方法就是基于經(jīng)典的傅立葉變換，把腦電波電位隨時(shí)間變化的時(shí)域波形圖直接轉(zhuǎn)換為以腦電功率隨頻率變化的譜圖，從而可直觀查看腦電的頻率變化來(lái)判斷大鼠狀態(tài)的改變，但缺點(diǎn)是它無(wú)法反映腦電信號(hào)在時(shí)間上的分辨率；不僅如此，腦電信號(hào)還是非線性、非平穩(wěn)的隨機(jī)復(fù)雜信號(hào),在不同的時(shí)刻有著不同的頻率成分,單從時(shí)域或頻域角度來(lái)分析和表示腦電信號(hào)是不能夠準(zhǔn)確表達(dá)出來(lái)的。樣本熵作為度量序列復(fù)雜性的統(tǒng)計(jì)方法，具有需要數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)少、計(jì)算速度快以及抗噪能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于癲癇[7-8]、疲勞腦電[9]等生理過(guò)程腦電信號(hào)處理研究中。為此，本課題組采用慢性電極FrA區(qū)埋藏，利用腦電無(wú)線遙測(cè)結(jié)合視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，動(dòng)態(tài)測(cè)定大鼠麻醉、海洛因注射即刻和戒斷狀態(tài)下FrA區(qū)實(shí)時(shí)腦電，并通過(guò)小波消噪處理后還原的時(shí)域波形、功率譜及樣本熵三種分析方法，對(duì)大鼠麻醉、海洛因注射即刻和海洛因戒斷三種狀態(tài)下FrA區(qū)腦電進(jìn)行綜合分析，以期探索麻醉和海洛因用藥不同時(shí)段的FrA區(qū)腦電變化，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)X電記錄時(shí)間段的選擇提供參考。

1 方法

1.1 小波消噪方法 小波分析消噪的主要理論依據(jù)是:腦電信號(hào)的能量在小波域內(nèi)主要集中于有限系數(shù)中,而噪聲能量卻分布在整個(gè)小波域。目前應(yīng)用最廣泛的是小波閾值去噪方法[10]，其算法流程是：①選擇合適的小波函數(shù)，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行N層分解得到對(duì)應(yīng)尺度下的小波系數(shù)；②應(yīng)用非線性閾值函數(shù)來(lái)處理步驟①中的小波系數(shù)，得到各小波系數(shù)的估計(jì)值；③用所得的小波系數(shù)重構(gòu)腦電信號(hào)，得到小波消噪后的腦電時(shí)域信號(hào)。

1.2 功率譜分析方法 功率譜分析的主要理論依據(jù)是假設(shè)腦電信號(hào)為線性、平穩(wěn)信號(hào)。據(jù)此可通過(guò)在較長(zhǎng)時(shí)間的腦電數(shù)據(jù)中截取一段有限時(shí)長(zhǎng)(點(diǎn)數(shù)為N，采樣率為f)的數(shù)據(jù)X，然后直接對(duì)這一段數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，得到XN(ejw)，取其幅值的平方，再除以N就得到了這一段數(shù)據(jù)的功率譜密度，并估計(jì)出整體腦電信號(hào)的功率譜密度，其核心就是傅立葉變換。

1.3 樣本熵分析方法 樣本熵分析技術(shù)主要是基于可以把腦電信號(hào)視為非線性、非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程。而由Richman[11]提出的一種時(shí)間序列復(fù)雜性測(cè)度方法，其具有需要數(shù)據(jù)點(diǎn)少，計(jì)算速度快以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。具體算法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5-6] 。

1.4 動(dòng)物及分組 大鼠FrA區(qū)電極埋藏及海洛因誘導(dǎo)戒斷大鼠模型制備詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。實(shí)驗(yàn)大鼠麻醉使用20%氨基甲酸乙酯，4 ml/kg，腹腔注射。FrA區(qū)電極埋藏后，立即采集實(shí)驗(yàn)大鼠腦電，即為麻醉組腦電數(shù)據(jù)；將手術(shù)后飼養(yǎng)成活大鼠分成對(duì)照組和海洛因組，海洛因組大鼠又分為海洛因連續(xù)注射7 d的即刻大鼠(注射后2 h內(nèi))和海洛因戒斷大鼠(注射后12 h)。通過(guò)腦電無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)和視頻監(jiān)測(cè)記錄實(shí)驗(yàn)大鼠不同狀態(tài)自發(fā)腦電20 min，目測(cè)選取其中特征明顯腦電數(shù)據(jù)，每段數(shù)據(jù)時(shí)間為10 s，采樣率：500 Hz，高通：0.10 Hz，低通：50 Hz。

2 結(jié)果

2.1 小波消噪后的時(shí)域分析方法 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，本文最后選用Daubechies小波函數(shù)分別對(duì)正常組大鼠、麻醉組大鼠、海洛因即刻組大鼠、海洛因戒斷組大鼠腦電信號(hào)進(jìn)行6層分解后提取小波系數(shù)，應(yīng)用非線性閾值函數(shù)處理得到消噪后各小波系數(shù)估計(jì)值，再利用這個(gè)估計(jì)值重構(gòu)腦電信號(hào)。小波消噪后的腦電時(shí)域信號(hào)波形圖如圖1所示。

從圖1中可知：正常對(duì)照大鼠腦電時(shí)域腦電信號(hào)電位幅度變化很小，幾乎都在均值15 μV左右(細(xì)節(jié)查看可知：最小14.07 μV，最大15.88 μV)，表明正常大鼠腦電中既有同步化的慢波(低頻高幅)，也有去同步化的快波(高頻低幅)，其外在整體表現(xiàn)是電位幅度變化不大。與對(duì)照組比較，氨基甲酸乙酯麻醉大鼠時(shí)域圖最明顯的特征就是間斷地出現(xiàn)類(lèi)似癲癇樣的棘狀損傷電位，這與麻醉藥、手術(shù)創(chuàng)傷和電極固定所使用的自凝牙托水刺激導(dǎo)致局部腦細(xì)胞損傷有關(guān)。海洛因注射即刻大鼠和海洛因戒斷大鼠腦電時(shí)域波形與正常對(duì)照大鼠相比，其電位幅度變化明顯加大， FrA區(qū)同步化慢波明顯增多，去同步化快波明顯減少，其外在整體表現(xiàn)是電位幅度變化加大。

2.2 功率譜分析方法 對(duì)1.1中經(jīng)過(guò)消噪后的腦電數(shù)據(jù)做傅里葉變換，可得出每組大鼠的腦電歸一化功率譜圖，如圖2所示。圖2顯示，與正常對(duì)照組相比，麻醉、海洛因注射即刻、海洛因戒斷三種狀態(tài)下，δ波(0～4 Hz)明顯增加。而三種狀態(tài)自身相比其δ波峰值按序右移，表明隨著麻醉、藥物注射后(清醒但類(lèi)嗜睡享受)和戒斷后覓藥三種行為狀態(tài)下，F(xiàn)rA區(qū)腦電δ波由高幅低頻向低幅高頻移行，這種移行分別與麻醉藥阻斷了中樞神經(jīng)元突觸間信息傳遞、海洛因?qū)е率人瘶酉硎軤顟B(tài)腦電改變以及戒斷期大鼠覓藥行為相適應(yīng)。視頻觀察也顯示海洛因注射即刻狀態(tài)，大鼠處于安靜、類(lèi)似嗜睡樣的享受狀態(tài)，全身伸肌緊張，尾部上翹，激惹閾值偏高，而海洛因戒斷大鼠神志清醒，活動(dòng)度增加，常出現(xiàn)怪異動(dòng)作且易躁動(dòng)，故其在δ波增多且峰值右移的同時(shí)，13～30 Hz頻段顯示去同步化波(低幅高頻波)增多，這與皮層神經(jīng)元興奮狀態(tài)下出現(xiàn)的腦電β波頻段相吻合，提示與大鼠戒斷狀態(tài)下“毒癮”發(fā)作有關(guān)。上述分析都是基于腦電信號(hào)是線性、平穩(wěn)系統(tǒng)。但與行為有關(guān)的腦電信號(hào)是FrA區(qū)無(wú)數(shù)神經(jīng)元活動(dòng)的總體表現(xiàn)，屬于典型的非線性、非平穩(wěn)的隨機(jī)復(fù)雜過(guò)程，用表示非線性動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生新信息的速率即下文的樣本熵分析技術(shù)來(lái)表示兩者的差異更有說(shuō)服力。

圖1 小波消噪后時(shí)域波形圖

圖2 實(shí)驗(yàn)大鼠腦電歸一化功率譜圖

2.3 樣本熵分析方法 通過(guò)自編程序?qū)?.1中經(jīng)過(guò)消噪后的腦電數(shù)據(jù)做樣本熵分析，麻醉、即刻、戒斷三組(每組15只實(shí)驗(yàn))大鼠的樣本熵均值與正常組大鼠(15只實(shí)驗(yàn)大鼠)比較結(jié)果如表1所示,其柱狀圖如圖3所示。

從圖3中可知：與正常對(duì)照組相比較，麻醉狀態(tài)、海洛因注射即刻狀態(tài)和海洛因戒斷狀態(tài)FrA區(qū)腦電的樣本熵均值均顯著性減小(P<0.01);海洛因注射即刻狀態(tài)與海洛因戒斷或麻醉狀態(tài)大鼠相比，其樣本熵均值也顯著性減小(P<0.01)，表明麻醉、海洛因注射即刻和海洛因戒斷三種狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)大鼠FrA區(qū)神經(jīng)元活動(dòng)趨于有序化改變，其腦電序列的相似性增高。

海洛因注射即刻狀態(tài)下FrA區(qū)樣本熵值較麻醉和海洛因戒斷大鼠顯著降低，可能與實(shí)驗(yàn)大鼠FrA區(qū)神經(jīng)元活動(dòng)趨于有序化，腦電序列的整體相似性更高有關(guān)，這種腦電序列的相似性導(dǎo)致的熵值下降，與麻醉狀態(tài)下FrA區(qū)熵值下降不同，前者是由于海洛因注射引起的一種皮層某些藥物依賴(lài)通路的主動(dòng)抑制，行為上呈現(xiàn)類(lèi)嗜睡享受的表現(xiàn)，后者是麻醉藥阻斷了中樞上行激活系統(tǒng)，使皮層處于廣泛性被動(dòng)抑制，行為上處于非覺(jué)醒的表現(xiàn)。盡管此兩種狀態(tài)熵值較對(duì)照組比較均降低，腦電序列呈現(xiàn)同步化慢波(皮層抑制腦電)為主，行為學(xué)上同是處于抑制狀態(tài)，但本研究結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，熵值低于0.4及以下者，應(yīng)當(dāng)可以作為海洛因依賴(lài)和麻醉藥效鑒別的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 麻醉、即刻、戒斷三組大鼠的樣本熵均值與正常組大鼠比較Tab 1 Comparison of the sample entropy in rats at narcotization,immediate injection of heroin and heroin withdrawal with the normal controls

海洛因注射即刻狀態(tài)FrA區(qū)腦電樣本熵值較戒斷狀態(tài)為低，其原因是雖然兩種狀態(tài)均表現(xiàn)為腦電的序列相似性增高，但戒斷狀態(tài)下，大鼠FrA區(qū)腦電較即刻狀態(tài)δ波峰值右移的同時(shí)，低幅高頻的去同步化波增多，且行為上由類(lèi)嗜睡狀態(tài)變成了清醒活動(dòng)和覓藥狀態(tài)，因此，兩者腦電序列的相似性雖然均增高，但其性質(zhì)卻截然不同。

3 結(jié)論

很多有關(guān)藥物依賴(lài)大腦皮層機(jī)制的研究報(bào)道中，所描述的腦電百分比的改變常大相徑庭，甚至相同的藥物依賴(lài)模型在同一皮層記錄的腦電百分比會(huì)出現(xiàn)相反的結(jié)果，究其原因，可能與腦電記錄的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及其時(shí)段不同有關(guān)。我們的實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)rA區(qū)埋藏電極的大鼠在正常對(duì)照狀態(tài)、麻醉、海洛因注射即刻和戒斷狀態(tài)時(shí)，其皮層腦電特征及其熵值是不相同的，具體表現(xiàn)為：氨基甲酸乙酯麻醉狀態(tài)下、海洛因注射即刻和戒斷狀態(tài)下，大鼠FrA區(qū)皮層腦電去同步化慢波較對(duì)照組明顯增加，其中δ波增加并依次由高幅低頻向低幅高頻移行，其樣本熵均值減?。煌瑫r(shí)，與麻醉和戒斷狀態(tài)下FrA區(qū)腦電樣本熵比較，海洛因注射即刻狀態(tài)熵值顯著減小。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示麻醉階段、海洛因注射即刻和戒斷階段，F(xiàn)rA區(qū)腦電與正常大鼠有本質(zhì)區(qū)別，大鼠麻醉狀態(tài)、海洛因注射即刻和戒斷階段FrA區(qū)腦電同樣存在著較大不同，而這種不同可被小波消噪時(shí)域分析、功率譜及樣本熵綜合分析所鑒別。此外，本實(shí)驗(yàn)也證實(shí)不同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，F(xiàn)rA區(qū)所記錄的腦電百分比及其特征也并非相同，這為藥物依賴(lài)機(jī)制皮層部位研究提供了一個(gè)較好的借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 劉文濤,王維勝,何玲，等.成癮行為消退性學(xué)習(xí)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)藥理學(xué)通報(bào),2011,27(6):741- 745.

[2] VAN DEN OEVER MC,LUBBERS BR,GORIOUNOVA NA，etal.Extracellular matrix plasticity and GABAergic inhibition of prefrontal cortex pyramidal cells facilitates relapse to heroin seeking [J].Neuropsychopharmacology，2010,35(10)：2120-2133.

[3] 潘群皖,黃磊,朱再滿(mǎn).海洛因誘導(dǎo)的條件性位置偏愛(ài)大鼠額葉聯(lián)絡(luò)皮層腦電的無(wú)線遙測(cè)及其分析[J].中國(guó)病理生理雜志,2012,28(9):1589- 1596.

[4] ZUO YANFANG，WANG JINYANG，CHEN JIHUAN，etal.A comparison between spontaneous electroencephalographic activities induced by morphine and morphine-related environment in rats [J].Brain Res，2007，1136(1)：88-101.

[5] 封洲燕.不同行為狀態(tài)下大鼠腦電時(shí)頻變化特性的直方圖分析[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2004,21(3):371- 376.

[6] 盧英俊，吳梅珍，錢(qián)靚，等.莫扎特奏鳴曲K448對(duì)腦電功率譜與重心頻率的影響[J].生物物理學(xué)報(bào),2011,27(2):154- 166.

[7] 李凱，姜永濤，于海波，等.癲癇治療效果的復(fù)雜度評(píng)估分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2013,30(3):4169- 4173.

[8] 馬莉，杜一鳴，黃光，等.基于樣本熵與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的癲癇發(fā)作預(yù)測(cè)初步研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2013,32(2):243- 247.

[9] 王利，艾玲梅，王四萬(wàn)，等.駕駛疲勞腦電信號(hào)節(jié)律的特征分析[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2012,29(4):629- 633.

[10] 孔繁偉.基于小波變換的腦電信號(hào)處理研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2005:22- 26.

[11] RICHMAN JS,MOOMAN RJ.Physiological time-series analysis using approximate entropy and sample entropy[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，2000,278(6):H2039- H2049.