郜姍姍 王一旭 曹娟 宋毅軍

300052天津醫(yī)科大學總醫(yī)院神經內科，天津市神經病學研究所，天津市神經損傷變異與再生重點實驗室（郜姍姍、曹娟、宋毅軍）；300070天津醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院（王一旭）

顳葉癲癇工作記憶障礙theta振蕩缺失的研究

郜姍姍 王一旭 曹娟 宋毅軍

300052天津醫(yī)科大學總醫(yī)院神經內科，天津市神經病學研究所，天津市神經損傷變異與再生重點實驗室（郜姍姍、曹娟、宋毅軍）；300070天津醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院（王一旭）

目的顳葉癲癇（TLE）是一類重要的成人癲癇綜合征，工作記憶障礙是TLE常見的認知障礙，研究TLE工作記憶障礙的神經機制具有重要的科學價值和臨床意義。theta振蕩是頻率范圍在4～8 Hz的大腦神經同步電活動，與工作記憶行為有密切的關系，因此本研究以TLE患者的工作記憶障礙為研究對象，研究其工作記憶行為學障礙時theta振蕩的改變，為進一步研究TLE工作記憶障礙的神經機制提供參考。方法實驗數(shù)據(jù)來自TLE組（18例TLE患者）和正常對照組（18名健康志愿者），在受試者執(zhí)行延遲樣本匹配范式視覺工作記憶任務的同時，記錄34通道頭皮腦電數(shù)據(jù)，選取長度為3 s的延遲時間腦電為工作記憶實驗數(shù)據(jù)。應用傅里葉變換計算兩組每個通道腦電的能量密度，選取對照組能量密度最大的通道為工作記憶特征通道；應用短時傅里葉變換方法計算兩組特征通道腦電時頻分布，選取對照組能量密度大的頻段為工作記憶特征頻段；計算兩組每個通道腦電特征頻率分量的能量密度空間分布。結果TLE組比正常對照組存在顯著的工作記憶行為學低下：TLE組正確率較對照組顯著減小（P＜0.05），反應時間較對照組顯著加長（P＜0.001）；工作記憶的特征通道為額中線（Fz），特征頻段為theta；TLE組比正常對照組Fz通道在特征頻段的腦電能量密度明顯減?。≒＜0.05）；TLE組比正常對照組額區(qū)（7個通道）在特征頻段的腦電能量密度明顯減?。≒＜0.01），以上差異均有統(tǒng)計學意義。結論Theta振蕩的減弱與缺失是TLE工作記憶行為學低下可能的神經機制。

顳葉癲癇；工作記憶障礙；多通道腦電；theta振蕩

Fund program:National Key Clinical Specialty Construction Project of China;Tianjin Research Program of Application Foundation and Advanced Technology(14JCZDJC35400,14JCYBJC28300)

0 引言

癲癇是臨床中常見的神經系統(tǒng)疾病，顳葉癲癇（temporal lobe epilepsy，TLE）是一類重要的成人癲癇綜合征，50%以上的患者最終發(fā)展為難治性癲癇。TLE患者往往伴有認知障礙，工作記憶（working memory，WM）障礙是TLE患者常見的臨床癥狀之一[1]。

工作記憶是一種重要的、在人們生活工作中處處存在的記憶形式，工作記憶是暫時存儲和加工信息容量有限的系統(tǒng)，是計劃和組織行為、語言、思維及決策等高級認知功能的基礎。TLE伴發(fā)工作記憶障礙，往往會影響患者的健康和心理狀態(tài)，影響治療效果和預后。研究TLE患者在工作記憶行為學發(fā)生的障礙及其神經機制，為研究TLE患者發(fā)生工作記憶障礙的機制及臨床的早期診斷、治療提供思路和方法，具有重要的科學價值和臨床應用意義。

近年來，在TLE發(fā)生工作記憶障礙的機制和臨床研究中，國內外學者做了大量工作，分別從分子生物學[2]、腦解剖結構[3-4]、工作記憶功能磁共振成像[5-6]等方面探索了TLE發(fā)生工作記憶障礙的可能機制。例如，Winston等[4]對伴有海馬硬化的TLE患者進行核磁共振、功能磁共振成像研究，結果提示海馬硬化及大腦白質、灰質完整性損傷是TLE患者工作記憶障礙的原因。Stretton等[5]應用功能磁共振成像,研究TLE患者執(zhí)行視空間工作記憶時的功能鏈接以及其與海馬傳出白質纖維的關系，結果提示支持TLE工作記憶功能的連接發(fā)生中斷并與硬化海馬異常的結構連接相關，頂-顳區(qū)的共同激活可能是TLE發(fā)生工作記憶障礙的機制。

根據(jù)腦電的生理意義，腦電的頻率范圍可分為δ（0～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～13 Hz）、β（13～30 Hz）、γ（30～80 Hz）5個頻段。大量的研究發(fā)現(xiàn)不同頻段神經振蕩與認知行為學密切相關[7-9]，其中theta振蕩是頻率范圍在4～8 Hz的大腦神經同步電活動，在認知行為中（包括在工作記憶中）起了重要作用。如Raghavachari等[10]發(fā)現(xiàn)，受試者在執(zhí)行sternberg言語工作記憶任務時，其腦電theta活動在多個工作記憶對象編碼的任務中更加顯著。Staudigl和Hanslmayr[11]的研究發(fā)現(xiàn)，theta活動的能量增強與成功執(zhí)行工作記憶任務緊密相關。

因此本研究從腦電theta振蕩的角度，在計算TLE組工作記憶過程中多通道腦電在theta頻段能量密度分布的基礎上，研究TLE組工作記憶行為學發(fā)生障礙時theta振蕩的改變，為進一步研究TLE工作記憶障礙的神經機制提供參考。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

受試者分為兩組，分別為TLE組和正常對照組。TLE組嚴格遵守相關醫(yī)學倫理和患者知情同意等問題的有關規(guī)定和要求，從2015年2～11月就診于天津醫(yī)科大學總醫(yī)院神經內科癲癇?？崎T診的患者中招募。根據(jù)國際抗癲癇聯(lián)盟TLE發(fā)作和診斷方案，從符合入組標準的患者中隨機抽取18例癲癇患者，其中男性11例、女性7例，年齡為20～55歲，平均年齡（36.8±12.2）歲；正常對照組為年齡、性別、教育程度匹配的健康志愿者18名，其中男性10名、女性8名，年齡為20～55歲，平均年齡（34.9± 10.8）歲。所有受試者視力或矯正視力正常，無肢體功能障礙。本研究涉及的實驗經天津醫(yī)科大學總醫(yī)院倫理委員會批準通過。

1.2 方法

1.2.1 DMS視覺工作記憶行為學測試

圖1 延遲匹配樣本范式視覺工作記憶示意圖

本研究應用延遲匹配樣本范式（delayed matching-to-sample task,DMS）[12]，實施受試者視覺工作記憶實驗，圖片來源于Snodgrass圖片庫。范式示意圖如圖1所示，其中3 s延遲期為工作記憶特征時段，筆者重點分析了該時段數(shù)據(jù)。基于正常對照組在DMS范式下的工作記憶容量為4[13]，本研究選取了工作記憶負載為4，即每次出現(xiàn)4張圖片。受試者在整個實驗過程中須保持注意力集中，盡量記憶4張刺激圖片，在3 s延遲期須對之前4張刺激圖片盡量進行回憶，探測圖片出現(xiàn)后須盡快、盡可能準確地進行判斷并按鍵。正常對照組與TLE組分別進行各216次實驗。計算受試者工作記憶行為學結果即行為正確率和反應時間。行為正確率是指在實驗過程中受試者判斷正確的實驗個數(shù)占所有實驗個數(shù)的比例；反應時間是指工作記憶行為學正確時，從探測圖片出現(xiàn)至受試者按下按鍵所用的時間。本實驗TLE組在執(zhí)行任務時處于間歇期，未觀察到癲癇發(fā)作。

1.2.2 工作記憶多通道腦電信號的采集與預處理

本研究應用美國尼高力公司腦電記錄處理儀，在受試者執(zhí)行工作記憶任務狀態(tài)下和睜眼靜息狀態(tài)下同時記錄34通道腦電，采樣頻率為1 024 Hz，電極位置依照國際10~20系統(tǒng)放置，其中1~34分別表示FP1、FP2、F3、F4、FC3、FC4、C3、CP3、C4、CP4、P3、P4、PO1、PO2、O1、O2、F7、F8、FT7、FT8、T3、T4、TP7、TP8、T5、T6、Fz、FCz、CPz、Cz、Pz、Oz、AF3、AF4（圖2）。

圖2 電極位置示意圖

原始記錄的腦電信號包含由眼動和肌肉收縮等造成的偽跡、50 Hz的工頻干擾和基線漂移等噪聲。根據(jù)同步記錄到的垂直眼電和水平眼電，利用協(xié)方差方法去除眼動干擾；采用陷波濾波器，濾波頻帶設為49.5~50.5 Hz，濾除腦電信號的工頻干擾；應用曲線擬合法，去除基線漂移。

1.2.3 工作記憶腦電的能量密度計算

預處理后工作記憶實驗腦電數(shù)據(jù)，包括工作記憶的信息和靜息狀態(tài)的信息。TLE組工作記憶實驗預處理后的腦電中包括了癲癇發(fā)作間歇期異常放電信息，因此計算工作記憶腦電能量密度（PWM）如下式所示

式中：PWM為工作記憶的腦電能量密度，Praw為工作記憶實驗中預處理后的腦電能量密度，Prest為靜息狀態(tài)腦電能量密度。圖3中：圖A、B上下分別對應正常對照組與TLE組某一受試者相應分析對照組。Ⅰ組分別為正常對照組與TLE組某一受試者3 s延遲期預處理后腦電數(shù)據(jù)所得時頻分布圖，Ⅱ組分別為上述受試者3 s靜息態(tài)腦電數(shù)據(jù)所得時頻分布圖，Ⅲ組分別為上述受試者工作記憶3 s延遲期時頻分布圖（Ⅲ組＝Ⅰ組-Ⅱ組）。

本研究中，分別應用傅里葉變換計算兩組各216次工作記憶實驗預處理后腦電（3 s）在單位頻率內的平均能量（能量密度）和對應的216個3 s靜息腦電的平均能量密度，相減獲取工作記憶平均能量密度。

1.2.4 工作記憶腦電特征通道的選取

根據(jù)公式（1）計算正常對照組18名受試者34通道中每個通道工作記憶腦電的平均能量密度，應用方差分析方法選取34個通道中腦電能量密度最大的通道為工作記憶的特征通道；然后計算TLE組18名受試者共216次在特征通道工作記憶腦電的平均能量密度，應用t檢驗分析兩組在特征通道工作記憶腦電能量密度的統(tǒng)計差別。

1.2.5 工作記憶腦電特征頻率范圍的選取

為進一步研究與工作記憶相關的腦電特征頻段，筆者應用短時傅里葉變換（short-timeFouriertransform, STFT）計算正常對照組18名受試者共216次實驗特征通道腦電的平均時頻分布。選取正常對照組平均能量密度最大的頻段為工作記憶特征頻段。

圖3 正常對照組和顳葉癲癇組某一受試者工作記憶時3 s延遲期某一通道時頻分析

式中：g（t）為窗函數(shù)，本研究選取窗口尺寸為0.4 s的漢明窗，其窗口移動步長為0.1 s。

計算TLE組18名受試者共216次工作記憶腦電在特征通道的平均時頻分布，應用t檢驗分析兩組在工作記憶特征頻段能量密度的差別。

1.2.6 工作記憶腦電在特征頻率范圍的空間分布

分別計算兩組各18名受試者各216次工作記憶34通道腦電在特征頻段分量的能量密度，畫出能量密度的空間分布圖。分析比較兩組在工作記憶特征頻段下特征通道及特征通道所在腦區(qū)的能量密度。

1.3 統(tǒng)計學方法

采用SPSS20.0統(tǒng)計分析軟件進行處理，實驗數(shù)據(jù)以均值±標準差（x±s）表示，采用方差分析法選取能量密度最大通道，應用t檢驗分析兩組能量密度統(tǒng)計差異，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 TLE的工作記憶行為學障礙

TLE組與正常對照組的工作記憶行為學比較如圖4所示：圖4A顯示TLE組與正常對照組的行為正確率分別為（91.60±0.93）%、（95.53±1.23）%，TLE組行為正確率較正常對照組低，其差異有統(tǒng)計

設腦電信號為x（t），其短時傅里葉變換為學意義（P＜0.05）；圖4B顯示兩組的平均反應時間分別為（1 004.59±18.37）ms、（756.75±11.67）ms，TLE組平均反應時間顯著大于正常對照組，其差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。結果表明TLE組存在工作記憶行為學障礙。

2.2 工作記憶的特征通道

正常對照組工作記憶34通道腦電平均能量密度的空間分布如圖5所示，可見工作記憶時額中線（Fz）通道的平均能量密度最大，表明Fz通道為工作記憶的特征通道。

2.3 TLE在工作記憶特征通道的能量密度、特征通道的時頻分布及特征頻段的能量密度

圖6A為正常對照組與TLE組工作記憶特征通道延遲期能量密度的比較，顯示正常對照組與TLE組的能量密度分別為（0.212 9±0.012 2）μV2/Hz、（0.170 7±0.023 6）μV2/Hz，TLE組較對照組顯著低，其差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。圖6B為正常對照組與TLE組theta頻段3 s延遲期能量密度比較，可見兩組腦電theta頻段的能量密度分別為（0.364 1± 0.009 0）μV2/Hz、（0.302 7±0.009 0）μV2/Hz，TLE組theta頻段的能量密度顯著低于正常對照組的能量密度，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。圖6C、6D分別為正常對照組與TLE組工作記憶3 s延遲期特征通道（Fz）的時頻分布，由圖6C可知，工作記憶的特征頻段為theta（4～8 Hz）頻段；由圖6D可知，TLE組在3 s延遲期內腦電能量主要集中在theta頻段。由上可知，TLE組在工作記憶特征通道及特征頻段的能量密度減弱。

圖4 正常對照組與顳葉癲癇組正確率和反應時間比較

圖5 正常對照組34通道工作記憶延遲期全頻段能量密度空間分布圖

2.4 TLE在工作記憶特征頻段能量密度的空間分布及特征通道在特征頻段的能量密度

圖6 正常對照組與顳葉癲癇組Fz通道能量密度、延遲期時頻分布及特征頻段能量密度比較

圖7正常對照組與顳葉癲癇組延遲期theta頻段能量的空間分布及theta頻段在特征通道及特征通道所在腦區(qū)的能量密度

圖7A、7B分別為正常對照組與TLE組腦電theta頻段在3 s延遲期的能量密度空間分布，顯示兩組腦電theta頻段能量密度均主要集中于額區(qū)，尤其以Fz最為顯著。圖7C、7D分別為在3 s延遲期兩組腦電theta頻段Fz通道及額區(qū)能量密度的比較，顯示正常對照組與TLE組Fz通道theta頻段能量密度分別為（0.326 4±0.008 8）μV2/Hz、（0.281 8± 0.008 9）μV2/Hz，TLE組Fz通道theta頻段能量密度較低，其差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05)。正常對照組與TLE組額區(qū)（FP1、FP2、AF3、AF4、F3、F4、Fz）theta頻段能量密度分別為（0.271 2±0.014 8）μV2/Hz、（0.191 0±0.009 9）μV2/Hz，與對照組相比，TLE組額區(qū)theta頻段能量密度低且振蕩弱，其差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。

3 討論與結論

筆者研究發(fā)現(xiàn)，顳葉癲癇患者發(fā)生工作記憶行為學障礙以及工作記憶theta振蕩的減弱。因theta振蕩由谷氨酸能神經元和GABA能神經元相互作用產生[14]，谷氨酸能神經元和GABA能神經元分別產生中樞神經系統(tǒng)興奮性和抑制性神經遞質，這兩種神經遞質及其受體失衡與癲癇發(fā)作密切相關。推測顳葉癲癇發(fā)生theta振蕩減少的可能機制是因顳葉癲癇常伴有海馬硬化、存在谷氨酸和GABA受體的異常從而導致theta振蕩減弱。

神經振蕩與工作記憶密切相關，不同頻率的神經振蕩在工作記憶信息處理和存儲過程中起了不同的作用：theta振蕩在工作記憶中的主要功能是組織編碼工作記憶對象的順序，gamma振蕩與工作記憶信息的存儲有關，alpha振蕩抑制了與工作記憶無關的信息，此外各個頻率段振蕩的協(xié)同也與工作記憶信息的處理、整合及存儲有密切關系[15]。筆者只研究了在工作記憶中能量最大的theta振蕩與工作記憶行為學的關系，今后應進一步研究顳葉癲癇工作記憶障礙與其他頻率范圍神經振蕩缺失的關系以及研究工作記憶障礙與不同頻率段振蕩協(xié)同缺失的關系。

利益沖突無

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Study of absence of theta oscillation of working memory dysfunction in temporal lobe epilepsy

Gao Shanshan,Wang Yixu,Cao Juan,Song Yijun
Department of Neurology,Tianjin Medical University General Hospital;Tianjin Neurological Institute;Tianjin Key Laboratory of Neurotrauma,Variation and Regeneration,Tianjin 300052,China(Gao SS,Cao J,Song YJ);School of Basic Medical Sciences,Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China(Wang YX)

ObjectiveTemporallobeepilepsy(TLE),frequentlyaccompaniedbyworkingmemorydysfunction, is an important form of adult epilepsy syndrome.Study on neural mechanisms of TLE with working memory dysfunction has important scientific value and clinical significance.Theta oscillations are synchronous activity of the brain in the 4-8 Hz frequency range.It is well recognized that there is a close relationship between the theta oscillations and working memory behavior.TLE patients with working memory dysfunction were taken as the research subjects,and the theta oscillations absence in TLE with working memory behavioral disorder was carried out,which provide the reference for further research into the neural mechanisms of TLE with working memory dysfunction. MethodsThe 34-channel electroencephalographs(EEGs)were recorded from TLE group(18 TLE patients)and control groups(18 healthy subjects)while subjects were performing visual working memory(delayed matching-tosample)tasks.The EEGs during the 3 s delay period was analyzed as experimental data.Fourier transform was used to assess the EEGs spectrum.The channel with the strongest spectrum was selected as the feature channel.Short-time Fourier transform algosiths was employed to calculate the time-frequency representation of the feature channel for the TLE and control groups.Frequency band with the strongest spectrum was selected for control group as the feature frequency band in working memory.Then,the topographical maps of the feature frequency band spectrum were calculated for the TLE and control groups.ResultsCompared with the control group,the working memory behavioral performance of the TLE group was lower：accuracy of the TLE group was significantly lower than that of the controlgroup(P＜0.05),and reaction time of the TLE group was significantly longer than that of the control group(P＜0.001). The feature channel in working memory was frontal midline(Fz)and the feature frequency band was theta band.The Fz spectrum of the feature frequency for TLE was lower than that for control(P＜0.05).The frontal spectrum(seven channels)of the feature frequency for TLE was lower than that of control(P＜0.01).ConclusionsTheta oscillations for TLE with working memory behavioral disorder is absent,which maybe one of the possible neural mechanism of TLE with working memory dysfunction.

Temporal lobe epilepsy;Working memory dysfunction;Multi-channel electroencephalographs;Theta oscillations

宋毅軍，Email：songyijun2000@126.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4181.2016.03.002

衛(wèi)計委國家臨床重點?？平ㄔO項目；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃資助項目（14JCZDJC35400，14JCYBJC28300）Corresponding author:Song Yijun,Email:songyijun2000@126.com

2016-03-22）