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脑功能测试方法的比较 魏金河 本文作者魏金河先生 航天医学工程研究所研究员 空间生命科学研究负责人 国际宇航科学院院士 IAA 生命科学委员会理事 关键词: 脑功能 比较 随着信息时代的到来 人们对人体的信息加工中心而且也是迄今所知的最高 级的信息加工系统 脑的兴趣日益增强 其中之一就是如何观察脑的活动 在 过去 人们通过眼神 面部表情和各种行为来揣测对方的思维活动 现代科技的 发展已使我们能够了解脑在进行与感知 认知 运动和情绪等有关的信息加工活 动时若干内部过程的变化 脑这个巨系统的面纱正在一层层地被揭开 目前 常用的观察脑活动的方法有: 脑电图(EEG) 事件关联电位(ERP) 脑 磁图(MEG) 正电子发射断层技术(PET)和功能磁共振成像(fMRI) 本文的重点不 是介绍这些方法的技术细节 而在于比较这些方法的特点 说明各种方法的优点 和局限性 为酌情选用 综合应用及未来发展 改进提供线索 人脑是由上千亿个神经元和至少1014 个突触形成的巨大神经网络系统 在进 化过程中形成了多层次的功能结构 大脑皮层特别是前额叶皮层是最后产生的具 有高级功能的脑结构 在皮层与皮层下结构及皮层的各功能单元之间有着丰富的 神经纤维联系 这些复杂的纤维系统使整个人脑成为一个既分工精细又协调一致 的巨大智能系统 脑功能包括如下三个方面: 智能 内环境调控和脑本身的支持保障 一般说 到脑功能 主要指的是包括感知 认知(注意 记忆 思维) 运动和情绪控制等 功能 以及最高级的意识活动 本文所比较的脑功能测试方法 主要是观察与感 知 认知和运动有关的脑状态及过程的变化 情绪控制和意识活动因过于复杂而 难以单独研究 脑在进行认知等活动时至少涉及如下变化: 作为信息传递形式和整合手段的 电活动; 作为突触前后信息传递介质和突触效能调节因子的神经递质的释放和结 合; 伴随神经元活动的代谢和血液动力学变化以及神经元内部的信息传递 基因 表达和特异蛋白质的合成等 对脑活动的观察也主要以这些变化为对象进行测试 本文比较的方法主要涉及前三种变化 一 脑的电活动测量: EG ERP 和MEG 1929 年德国精神病学家 Berger 利用灵敏的电流计在人的头皮上首次记录到 脑电图 后称为EEG 现已知 EEG 是脑神经网络中相当数量的突触的自发同步 性突触后电位在头皮上的反映 而不是源于时程较短的动作电位 在头皮上之所 以能记录到0.5~40Hz 的较大幅度(1~100 µ V) 的EEG 主要得益于大脑皮层有序 的多层结构 锥体细胞的轴突径向排列 而树突在最外层呈切向分布 因而形成 了有序的电偶极子 只要几十万个神经元活动的电场强度变化足以克服颅骨屏蔽 在头皮上就能较容易地被记录到 对EEG 与认知关系的认识 经历了一个兴奋 失望 复兴的马鞍形过程 实 际上 EEG 中各频率成分的活动强度(功率)或相对强度的变化反映的是脑状态而 不是脑过程的变化 例如缺血 缺氧 组织病变 疲劳 睡眠 醒觉周期及注意 程度等都能在 EEG 中有所反映 对认知功能来说 EEG 的价值在于它所提供的 与特定脑状态关联的频率 空间动态信息 利用现代的功谱分析方法(包括小波变 换等)可以得出与特定脑活动关联的不同频率或频带[δ (0.5~4Hz) θ (4~8Hz) α (8~13Hz) β (13~25Hz)和γ (25Hz)] 的脑电活动的动态变化 时间分辨率可为 几百至几十毫秒 以及变化的脑区特征 由于容积导体的效应 EEG 的空间分辨 率较低 但利用电位地形图及电流密度分布等方法仍可得出一定的空间定位信息 在EEG 的分析中 更有价值的应当是相干分析技术 它可以提供左 右脑之间以 及同侧不同脑区之间同一频率脑电活动的同步情况 例如 听音乐或思考问题时 左 右脑间α 活动的同步性增强 但额区和顶区的变化不同 这些信息有助于揭 示脑神经网络的系统特征 事件关联电位(ERP)是在诱发电位技术上发展起来的 目前已成为研究脑认知 活动的主要手段之一 它借助于计算机进行实时采样 同步迭加平均和滤波 得 出与某种特定认知事件(如对靶信号的选择反应 心算 记忆等)关联的脑