在阅读障碍儿童中基于阅读任务的脑连接分析（使用 EEG 信号）

阅读障碍是一种影响正常阅读能力的神经发育性疾病，即使智力水平正常的儿童也可能受到影响。本文研究了在阅读任务中，阅读障碍儿童与正常儿童的大脑连通性差异，并通过图论方法进行了分析。研究检测了阅读障碍和控制组儿童在阅读任务期间的脑功能连通性，并提出可能的脑网络受损证据。

研究背景

发展性阅读障碍（Developmental Dyslexia, DD）是一种影响大约5%到10%人口的神经发育性阅读障碍。尽管这些孩子智力水平正常，但在学业表现上存在显著差距。为了避免这些儿童面临学术挑战和心理问题，理解阅读障碍的神经生理学原因及早期检测非常重要。尽管已有大量行为研究表明阅读障碍个体和正常个体在阅读技能上的差异，但其根本原因仍不明确，需要进一步研究以揭示阅读障碍大脑的神经生理差异。

随着神经影像学方法的发展，研究人员得以更好地理解各类神经障碍的大脑功能。不同的神经影像技术已被用于研究阅读障碍个体在静息状态和任务状态下的大脑活动差异。功能影像学研究一致性地报告了阅读障碍儿童在左半球顶叶-颞叶区域的活动较少或减少。然而，新的文献表明，阅读区域之间功能联系的中断可能是DD的原因。

论文信息

本研究由Guhan Seshadri N.P.和Bikesh Kumar Singh执笔，来自印度Raipur国立技术学院生物医学工程系。论文于2024年3月21日被接受，并在同年发表于Medical & Biological Engineering & Computing期刊，该期刊由International Federation for Medical and Biological Engineering出版。

研究方法

数据收集与任务细节

本研究对象为15名阅读障碍儿童和15名正常发育儿童，前者来自特殊学校，后者则来自普通小学。所有儿童均通过心理学家的评估测试，确保智商在85分以上，并且没有听力和神经疾病史。

研究中使用了19通道EEG系统，按照10-20标准系统在头皮上布设电极，采样频率为256Hz，记录带宽在0.1至70Hz之间。每位儿童需要执行一项阅读任务，该任务设计了两个不同的试验，每个试验包含两个刺激：一个是以图像形式表示的单词（例如“sand”），另一个是相同或不同单词的音频（例如“sand”或“land”）。儿童需通过按键响应匹配的刺激。

数据处理与分析

首先，采集的EEG信号需要进行预处理，比如应用三点移动平均滤波器和小波去噪技术来减少噪声。EEG信号按波段分解，提取包括δ（0-4Hz）、θ（4-8Hz）、α（8-13Hz）、β（13-32Hz）和γ（32-64Hz）等不同频段。

图网络分析

脑网络通过图论方法来研究。基于EEG信号的相干性生成每个被试的19×19功能连通性矩阵，进而提取网络特征，包括节点强度、特征路径长度（PL）、聚类系数（CL）、全局效率（EG）、局部效率（EL）和小世界网络（SW）。

统计分析

利用非参数Mann-Whitney U检验对两组的图特征进行统计比较，并用Wilcoxon符号秩检验分析组内条件间的显著性。结果表明在dyslexic组与对照组在θ和α波段的PL、CL、EG和EL方面存在显著差异。

研究结果

阅读任务表现

对照组的任务性能准确性显著优于dyslexic组，且dyslexic组的反应时间（RT）长于对照组。

网络测量结果

Dyslexic组的网络测量

在任务状态下dyslexic组的δ波段强度在t5和t3电极位置显著较高，而θ波和α波段的强度则显著较低。同样，在PL、CL、EG和EL方面，在任务期间，dyslexic组显著高于基线值，反映出其在信息传递和本地处理网络方面的不足。

对照组的网络测量

对照组在任务状态下的θ、α和β波段强度显著较高，PL显著降低且EG和EL显著较高，表明其在任务期间具有更有效的信息传递和处理能力。

两组间的比较

相比对照组，dyslexic组在任务状态下的δ波段强度显著较高，而θ、α和β波段的强度显著较低。PL较长、CL和EG较低，表明dyslexic组在阅读任务期间的脑网络受损，较低的整合度和分离度反映出功能效率减弱。

区域网络激活差异

任务期间dyslexic组的δ波段强度在t5和t4电极位置显著较高，而θ、α和β波段的强度较低，反映出其在信息编码、处理和工作记忆方面的不足。

讨论

本研究采用图论方法研究了dyslexic和正常儿童在阅读任务中的脑功能连通性。发现dyslexic组在任务期间的脑网络组织受到破坏，表现出较低的功能整合度和分离度。研究结果显示了图论在理解dyslexic儿童脑网络和神经生理基础方面的有效性。

结论

本研究表明通过图论分析基于EEG信号的功能连通性，可以揭示阅读障碍儿童在阅读任务中的脑网络受损情况，并提供了理解其神经生理基础的有效途径。这一发现或许能够为未来阅读障碍的早期检测和干预提供新的参考依据。

本研究通过详细的实验设计和数据分析方法，为阅读障碍儿童的神经生理学基础提供了新的理解视角，并展示了图论方法在脑网络研究中的应用潜力。