1 引言
神经振荡是正常工作的中枢神经系统的基本特性。不同脑区由不同的振荡网络构成,具有不同的振荡特征[1]。一定频率的周期性外刺激可增强大脑α波(8～13 Hz)神经振荡强度,使其和外刺激信号相位锁定而产生节律同步[2]。研究结果表明,大脑α波与视觉刺激的相位同步程度(以下均简称α波同步程度)和人们对外刺激的知觉程度密切相关[3- 4]。文献[5]和文献[6]发现频率在α波段取值的视觉刺激可导致脑内α波神经网络产生同步振荡,使大脑对外刺激的感知愈加明显[5-6]。SPAAK等人也发现10 Hz闪烁光刺激下α波神经振荡同步程度与大脑知觉程度成正比[7]。这些研究结果表明大脑α波同步程度可作为研究知觉和认知功能关系的一种有效手段,在认知障碍治疗和改善认知功能等领域具有重要实用意义和应用前景。
稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potentials,SSVEP)是人眼受到重复闪光刺激后大脑头皮产生的脑电信号,是脑机接口技术目前最常用的刺激范式[8]。人们通常采用双眼同频刺激范式来研究SSVEP的α波同步程度。高频(大于20 Hz)刺激下SSVEP除含有刺激频率的基波及其谐波成分外,还有α波和次谐波(刺激频率的1/n 倍,n=2,3,4...)[9-10]。次谐波的存在给有效识别目标信号带来较大障碍。此外由于高频刺激下SSVEP 幅度较小,故目前SSVEP的α波同步程度研究主要集中于低频段(8～20 Hz)。然而目前在低频段双眼同频刺激模式下研究SSVEP的α波同步程度面临两个问题:(1)刺激频率选择存在较大局限性。(2)受试者易产生视觉疲劳和诱发癫痫[11]。为有效解决上述问题,双眼双频同时刺激是值得研究的新范式。
在一定频率的双眼同频刺激下,大脑α波同步程度呈现一定变化规律:当闪光刺激频率在低频fI±3 Hz(fI为大脑自发α频率)内取值时,若光强度相同,则大脑α波同步程度随外刺激频率变化呈阿诺德舌头曲线,且在中心频率fI处同步程度最高[12]。文献[13]研究结果进一步表明,光照强度一定时,闪光脉冲刺激的频率分别在低频段(fI±3 Hz)、中频段( 2fI±3 Hz)和高频段( 4fI±3 Hz)三个频段内取值时,大脑α波同步程度随刺激频率的变化关系同样也符合阿诺德舌头变化规律[13]。
当人类双眼同时受不同频率的视觉刺激时,人的大脑每一时刻只能感知一个稳定状态(约持续几百毫秒或几秒),然后切换到另一稳定状态,持续一段时间后再切换回来,如此不断周期循环。在整个过程中,存在视觉刺激保持不变,而感知在变化的双眼竞争现象[14]。双眼双频同时刺激范式可增加刺激频率选择模式和提高应用灵活性,但也提高了α波同步程度分析的复杂程度。值得研究的问题是:在双眼同频和双眼双频两种不同刺激范式下,大脑α波同步程度变化规律是否相同？特别是当刺激频率分别在以fI、2fI和4fI为中心频率的低频、中频和高频段取值时,双眼双频同时刺激范式下α波同步程度随刺激频率变化是否也呈现阿诺德舌头规律？为此本文将基于大脑α波与刺激信号相位差的归一化香农熵计算,探索双眼双频同时刺激下大脑α波同步程度变化规律,为研究α波同步程度提供有效新范式,为更好研究知觉和认知功能关系及其在认知障碍潜在的诊断与治疗提供新思路。
2 阿诺德舌头
图1 阿诺德舌头
Fig.1 Arnold tongue
阿诺德舌头是阿诺德于1965年提出的一个著名的力学术语,能有效说明振动理论中的广义共振现象[15]。两个非线性系统(固有频率分别为ω和ω0)的参数变化使mω=nω0,即ω/ω0=n/m=Ω为有理数时,说明两个耦合系统出现了同步,也称锁频或锁相。锁频范围和两个系统之间的耦合强度K和Ω有关,三者关系如图1所示,图中阴影部分即为阿诺德舌头。
3 大脑α波相位同步计算方法
当两个非线性系统产生同步时,二者相位关系为[16]:
|Ψn,m(t)|≤const,Ψn,m(t)=nφ1(t)-mφ2(t)
(1)
其中,φ1(t)、φ2(t)分别为两个振荡器的相位,Ψn,m(t)是相对相位,const为一常数。
用复伽柏(Gabor)小波变换和希尔伯特(Hilbert)变换计算相位同步值差异很小[17],但前者具有一定的频率选择局限性,后者更适合于提取脑电信号的瞬时相位来研究相位同步问题,故本文采用希尔伯特变换计算SSVEP与刺激光信号的瞬时相位:
(2)
即
(3)
式中f(t)为输入信号,
为经希尔伯特变换后的信号,H为希尔伯特变换,*代表卷积。
脑电信号属于非平稳随机信号。光刺激下其相位随时间变化,说明大脑α波相位与光刺激相位同步程度具有时间不稳定性,故本文用二者相位差的归一化香农熵来衡量同步程度的大小。归一化香农熵计算公式如下[16]:
(4)
其中,
表示最大值熵,S为该组数据的熵值,N为出现的相位角差的总数量,pk为第k个相位角出现的概率。
大脑α波和视觉刺激信号相位同步的归一化香农熵在
之间取值。根据香农熵的定义,归一化香农熵值越大,表示两者同步程度越强
对应均匀分布,表明两个信号相位完全独立;当
为狄拉克分布,揭示两个信号相位完全同步。
4 实验方法
4.1 实验条件
受试者为6名在读研究生(年龄24～26岁),自愿参与本实验,视力或矫正视力正常,无任何神经精神类疾病史,了解实验要求与目的。实验过程中,受试者须专心注视闪烁刺激信号,并保持静止避免身体移动。
4.2 实验系统
实验系统如图2所示,双频闪烁刺激器由白光LED电极贴片的护目镜组成,DDS(Dual-channel DDS Siganl Generator)产生调制深度为100%,占空比为50%和光强为3.8 V的方波闪烁脉冲信号,分别以频率f1、 f2同时刺激左右眼。左右护目镜到受试者视网膜距离一致。
图2 实验系统图
Fig.2 The experiment system
4.3 实验方案
(1)用美国BIOPAC公司生产的MP150多导电生理信号记录仪和国际10-20系统扩展的21导电极帽,记录枕区O1、O2的脑电信号。参考正电极Cz,接地电极为左耳垂A1。
(2)无外刺激,测受试者在闭眼、放松和清醒状态下的自发α波频率fI,时间60 s。
(3)分别以每个测试者的fI、2fI和4fI为中心频率,左右各取三个测试点。有别于文献[13]中步进频率为1 Hz,本文以0.8 Hz为步进频率,以减少α波同步程度曲线的失真度。测试右眼刺激频率分别为低、中、高频,左眼频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz取值的SSVEP,确定α波同步变化情况。因一般受试者的自发α波频率在10 Hz左右,故左眼刺激频率分别为10±2.4 Hz、20±2.4 Hz、40±2.4 Hz。选择右眼刺激频率,尽量使其和左眼刺激频率的差值落在小、中、大三个不同档次,具体如表1所示。
表1 左右眼刺激频率的组合选择之一
Tab.1 The first combination selection of different stimulation frequency of left and right eyes
左眼刺激频率右眼低频刺激右眼中频刺激右眼高频刺激fI±2.4 Hz13 Hz22 Hz70 Hz2fI±2.4 Hz15 Hz35 Hz75 Hz4fI±2.4 Hz18.8 Hz32 Hz65 Hz
(4)其他测试条件和(3)相同,左眼频率分别为低、中、高频,右眼频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz取值,研究SSVEP的α波相位同步变化情况。频率选择如表2。
表2 左右眼刺激频率的组合选择之二
Tab.2 The second combination selection of different stimulation frequency of left and right eyes
右眼刺激频率左眼低频刺激左眼中频刺激左眼高频刺激fI±2.4 Hz13 Hz22 Hz70 Hz2fI±2.4 Hz15 Hz35 Hz75 Hz4fI±2.4 Hz18.8 Hz32 Hz65 Hz
(5)每个SSVEP实验测试持续8 s,休息10 s,然后重复实验。每个实验重复三次。每名受试者实验前均进行5分钟的黑暗环境适应。
4.4 SSVEP数据处理
(1)用系统附配的AcqKnowledge 4.4软件对SSVEP数据进行预处理。50 Hz陷波除工频,经带宽为fI-3 Hz～fI+3 Hz带通滤波器去噪后得SSVEP的α波数据。对所有通道的数据去趋势、去眼电。最后截取经预处理后的SSVEP中间5 s段的数据(舍弃前后1.5 s段数据)。
(2)基于截取的SSVEP数据,用希尔伯特变换,计算光刺激信号和大脑α波的相位及其对应的归一化香农熵。
(3)根据公式(1)计算光刺激信号和大脑α波的相位差。在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz 三个刺激频段,Ω=n/m=刺激频率/自发α波频率分别为1、2和4。
(4)由公式(4)计算归一化香农熵。求每一个刺激频率下三次重复实验的归一化香农熵的平均值,将其作为评价大脑α波同步程度的关键指标。
5 实验结果
5.1 受试者自发频率
六名受试者的自发频率均值分别为:10.7、10.7、10.7、9.7、10.7和9.7 Hz。
5.2 左右眼按表1取值的α波同步程度变化情况
经测试和计算,左右枕区O1、O2的大脑α波同步程度基本一致,故取二者均值作为每一个测试者的枕区α波相位同步程度。
将5名受试者(一名受试者因数据差异性太大被排除)α同步程度取均值,得左眼刺激频率分别为fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz时α波同步变化曲线如图3～图5所示。
图3 左眼频率: fI±2.4 Hz,右眼分别取值13、22和70 Hz的α波同步程度
Fig.3 The degree of α wave entrainment of the right eye under 13, 22 and 70 Hz while the left eye stimulation in fI±2.4 Hz band
图4 左眼频率:2fI±2.4 Hz,右眼分别取值15、35和75 Hz的α波同步程度
Fig.4 The degree of α wave entrainment of the right eye under 15, 35, and 75 Hz while the left eye stimulation in 2fI±2.4 Hz band
图5 左眼频率:4fI±2.4 Hz,右眼分别取值18.8、32和65 Hz的α波同步程度
Fig.5 The degree of α wave entrainment of the right eye under 18.8, 32, and 65 Hz while the left eye stimulation in 4fI±2.4 Hz band
比较右眼刺激频率分别为低、中和高频,左眼刺激频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz三个不同频段内取值时的α波相位同步程度变化情况,如图6和图7所示。
当双眼刺激频率按表1取值时,根据上述实验结果得到以下结论:
(1)图3～图5表明,无论右眼在低频、中频和高频取何频率,当左眼刺激频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz三个频段(分别以fI、2fI、4fI为中心频率)内取值时,α波和左眼刺激信号的相位同步程度均呈现阿诺德舌头变化规律,且fI±2.4 Hz频段的α波同步程度值最大,2fI±2.4 Hz频段次之,4fI±2.4 Hz频段最小。但α波和右眼刺激信号的相位同步变化呈现混沌状态,没有出现阿诺德舌头。
(2)图6、图7表明:左眼刺激频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz三个频段变化时,右眼用高频(65、70、75 Hz)刺激对α波和左眼刺激信号同步程度影响较小,在中频(22、35、32 Hz)次之,在低频(13、15、18.8 Hz)影响较大。特别地,当右眼刺激频率在α波段取值时,α波和左眼刺激信号同步程度受右眼刺激频率影响最大。
图6 右眼刺激频率分别在低、中、高频率取值,α波和左眼刺激信号同步程度变化曲线
Fig.6 The curve of α wave entrainment vary with the left eye stimulation frequency while the right eye is stimulated at low, medium and high frequency, respectively
图7 右眼刺激频率分别在低、中、高频取值,α波和右眼刺激信号同步程度变化曲线
Fig.7 The curve of α wave entrainment vary with the right eye stimulation frequency while the right eye is stimulated at low, medium and high frequency, respectively
5.3 左右眼刺激频率按表2取值的α波同步变化情况
在其他测试条件相同条件下,将左右眼刺激频率相应对换(具体如表2所示)。实验结果表明α波相位同步变化规律和5.2所得一致。
5.4 实验结论
在双眼双频同时刺激范式下,当受试者的一只眼(设为A眼)的刺激频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz三个频段内变化,另一只眼(设为B眼)的刺激频率分别在高频(65 Hz、70 Hz、75 Hz)、中频(22 Hz、35 Hz、32 Hz)和低频(13 Hz、15 Hz、18.8 Hz)取值时,B眼刺激频率的不同取值对α波和A眼刺激信号同步程度的影响程度是:高频段最小;中频次之;低频段较大,α波段最大。
6 讨论
本文研究结果表明,当左眼或右眼刺激频率在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz三个频段取值时,SSVEP的α波与该眼刺激信号相位同步程度呈现阿诺德舌头现象,即α波同步程度在每个频段的中心频率最高,两边逐步下降,与文献[12]和[13]研究双眼同频刺激下得到的大脑α波同步程度变化规律一致。上述三个频段出现阿诺德舌头的可能原因是:SSVEP频谱包含基波、谐波和次谐波(等于刺激频率的1/2、1/4、1/6倍...)成份,当刺激频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz取值时,对每个频段的中心频率,其基波或次谐波等于自发α波频率fI,此时引发α波网络产生谐振,α波同步程度最强;若刺激频率在中心频率附近取值(设和中心频率的差值为Δf),其基波或次谐波位于自发α波频率附近(仍属α波段),此时α波相位同步程度和Δf成反比,二者变化关系呈现阿诺德舌头曲线[9]。
阿诺德舌头的锁频范围和两个耦合系统的耦合强度有关。对本文研究内容而言,意味着刺激幅度是影响SSVEP的α波同步程度的一个重要因素。文献[13]的研究结果表明,如果刺激频率相同,在所研究的光脉冲刺激幅度范围内,SSVEP的α 同步程度和光刺激幅度成正比。本文的实验结果表明:当左眼或右眼刺激频率分别在以fI、2fI、4fI为中心频率的频段内变化时, fI±2.4 Hz频段的α波和该眼刺激信号的同步程度最高,2fI±2.4 Hz频段次之,4fI±2.4 Hz频段最弱。对此现象,可解释为在刺激信号强度相同条件下:(1)刺激频率在fI±2.4 Hz取值时,引发α波网络产生谐振的是中心频率(fI),该频率为频谱中的基波成份,频谱幅度最大,故同步程度最大;(2)刺激信号在2fI±2.4 Hz取值时,使α波网络产生谐振的是中心频率的二次次谐波(等于中心频率的1/2倍),其频谱幅度比(1)中的基波幅度小,故α波同步程度相对较小;(3)刺激信号在4fI±2.4 Hz频段取值,引发α波网络产生谐振的是中心频率的四次次谐波(刺激频率的1/4倍),幅度均比前面两种情况小,故α波同步程度相对最弱。
在双眼双频同时刺激下,如果受试者的一只眼的刺激频率分别在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz三个频段取值,则另一只眼刺激频率的不同取值将对α波和前一只眼睛刺激频率的同步程度产生不同的影响:高频较小,中频次之,低频较大,在α波最大。可能的原因是在α波段取值的刺激频率将引发α网络产生谐振,此时能量最大,从而对α波和另一只眼刺激信号的同步程度产生最大影响。
7 结论
本文基于大脑α波与刺激信号相位差的归一化香农熵计算,首次研究了双眼双频同时刺激下大脑SSVEP的α波相位同步变化规律。研究结果表明:(1)在双眼双频同时刺激下,无论第一只眼的刺激频率为低、中或高频,如果第二只眼的刺激频率在fI±2.4 Hz、2fI fI±2.4 Hz、4fI±2.4 Hz三个频段取值,则α波与后者刺激信号的同步程度均呈现阿诺德舌头现象,这和双眼同频刺激条件下大脑α波同步程度随刺激频率变化规律一致。(2)双眼双频同时刺激下,可通过调整其中一只眼睛的刺激频率,来改变另一只眼的α波同步程度,这是双眼同频刺激范式所不具备的优势。(3)在fI±2.4 Hz、2fI±2.4 Hz和4fI±2.4 Hz三个频段,α波相位同步程度随着中心频率的增加而减少。(4)在双眼双频刺激范式下,如果刺激频率等于大脑自发α波频率的一倍、两倍及四倍,则α波同步程度同样呈现阿诺德舌头。双眼双频刺激范式扩大了刺激频率的选择范围,提高了刺激频率选择灵活性,较好解决了双眼同频率刺激范式存在的频率选择局限性问题。双眼双频同时刺激可作为研究大脑α波相位同步程度的一个有效新范式,为更好地研究知觉和认知功能关系以及为认知障碍潜在的诊断与治疗提供一个新思路。
[1] Chen L L, Madhavan R, Rapoport B I, et al. Real-Time Brain Oscillation Detection and Phase-Locked Stimulation Using Autoregressive Spectral Estimation and Time-Series Forward Prediction[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2013, 60(3): 753-762.
[2] 张雪, 袁佩君, 王莹, 等. 知觉相关的神经振荡-外界节律同步化现象[J]. 生物化学与生物物理进展, 2016, 43(4): 308-315.
Zhang X, Yuan P J, Wang Y, et al. Neural Entrainment and Perception[J]. Progress in Biochemistry & Biophysics, 2016, 43(4): 308-315.(in Chinese)
[3] Thut G, Miniussi C, Gross J. The Functional Importance of Rhythmic Activity in the Brain[J]. Current Biology Cb, 2012, 22(16): R658-R663.
[4] Notbohm A, Herrmann C S. Flicker Regularity Is Crucial for Entrainment of Alpha Oscillations[J]. Frontiers in Human Neuroscience, 2016, 10(99).
[5] Mathewson K E, Prudhomme C, Fabiani M, et al. Making waves in the stream of consciousness: entraining oscillations in EEG alpha and fluctuations in visual awareness with rhythmic visual stimulation[J]. Journal of Cognitive Neuroscience, 2012, 24(12): 2321-2333.
[6] De Graaf T A, Gross J, Paterson G, et al. Alpha-band rhythms in visual task performance: phase-locking by rhythmic sensory stimulation[J]. Plos One, 2013, 8(3): e60035.
[7] Spaak E, de Lange F P, Jensen O. Local entrainment of α oscillations by visual stimuli causes cyclic modulation of perception[J]. Journal of Neuroscience the Official Journal of the Society for Neuroscience, 2014, 34(10): 3536-3544.
[8] 高诺, 翟文文, 杨玉娜. MSI 和 CCA 算法对稳态视觉诱发电位信号分类的比较研究[J]. 信号处理, 2018, 34(8): 984-990.
Gao N, Zhai W W, Yang Y N. A Comparison of MSI and CCA for SSVEP Classification[J]. Journal of Signal Processing, 2018, 34(8): 984-990.(in Chinese)
[9] Herrmann C S, Murray M M, Ionta S, et al. Shaping Intrinsic Neural Oscillations with Periodic Stimulation[J]. Journal of Neuroscience the Official Journal of the Society for Neuroscience, 2016, 36(19): 5328-5337.
[10] Herrmann C S. Human EEG responses to 1-100 Hz flicker: resonance phenomena in visual cortex and their potential correlation to cognitive phenomena[J]. Experimental Brain Research, 2001, 137(3- 4): 346-353.
[11] Fisher R S, Harding G, Erba G, et al. Photic- and pattern-induced seizures: a review for the Epilepsy Foundation of America Working Group[J]. Epilepsia, 2005, 46(9): 1426-1441.
[12] Notbohm A, Kurths J, Herrmann C S. Modification of brain oscillations via rhythmic light stimulation provides evidence for entrainment but not for superposition of event-related responses[J]. Frontiers in Human Neuroscience, 2016, 10(154): 10.
[13] 覃玉荣, 刘凌伶, 陈妮. 不同光刺激对大脑α同步程度影响研究[J]. 广西大学学报: 自然科学版, 2018, 6(3): 1103-1110.
Qin Y R, Liu L L, Chen N. Study on effects of different light stimuli on the degree of brain entrainment[J]. Journal of Guangxi University: Natural Science Edition, 2018, 6(3): 1103-1110.(in Chinese)
[14] 陈志凯, 高上凯, 高小榕. 基于SSVEP的时分式双眼竞争刺激系统[J]. 生命科学仪器, 2013, 11(6): 9-14.
Chen Z K, Gao S K, Gao X R. A SSVEP Stimulus System Using Time-division Sequence Signals For Binocular Rivalry Research[J]. Life Science Instruments, 2013, 11(6): 9-14.(in Chinese)
[15] Arnold VI. Small Denominators, I: Mapping of the circumference onto itself, American Mathematical Society Translations Series 2, 1965, 46: 213-214.
[16] Tass P, Rosenblum M G, Weule J, et al. Detection of n: m Phase Locking from Noisy Data: Application to Magneto-encephalography[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(15): 3291-3294.
[17] Mcfarland D J, Mccane L M, David S V, et al. Spatial filter selection for EEG-based communication[J]. Electroencephalography & Clinical Neurophysiology, 1997, 103(3): 386-394.
