不同大脑激活重排在认知负荷期间的研究：ERD/ERS与相干性分析

学术背景

人类大脑在进行想象、运动或认知任务时，其功能活动模式及其激活区域均有不同。这些模式变化也反映在大脑电活动的变化中，通过脑电图（EEG）可以从大脑头皮上测量这些变化。认知任务会导致EEG信号模式的相对变化，即事件相关去同步化/同步化（ERD/ERS）。本研究旨在探讨人脑在执行心算任务时的激活模式，特别是通过计算EEG信号的频带功率谱密度（PSD）和相干性分析来揭示这些模式。

研究来源

本文由Md. Rayahan Sarker Bipul、Md. Asadur Rahman和Md. Foisal Hossain撰写，分别来自Khulna University of Engineering and Technology（KUET）和Military Institute of Science and Technology（MIST）。该研究于2022年9月21日收到，2023年7月11日修订，2023年11月4日接受，并在Springer Nature旗下的《Cognitive Neurodynamics》期刊上发表。

研究流程

数据收集与实验设计

本研究使用了从PhysioBank数据库中收集的心算任务相关的EEG数据（https://archive.physionet.org/physiobank/database/eegmat/）。参与者共66名，均为右撇子健康个体，年龄在18到26岁之间。实验通过23通道系统记录EEG数据，采样率为500 Hz，并使用国际10-20系统布置电极。

实验设计分为三个阶段：适应期、静息期和心算期。参与者在静息期内静坐三分钟，然后进行为期四分钟的心算任务，记录心算任务的前三分钟数据。

数据处理与分析方法

数据预处理使用Matlab编程语言进行。心算任务涉及从四位数中减去两位数的系列减法操作。EEG信号中常见的伪影（如肌肉噪声）通过适当的处理步骤予以消除。实验期间参与者被要求不使用任何肢体动作，只通过想象完成任务。

数据分析包括计算ERD/ERS和相干性。ERD/ERS分析通过Welch方法计算频带功率谱密度（PSD），并进行相干性分析以验证ERD/ERS结果。

主要结果

ERD/ERS分析

研究发现，脑电图信号在心算任务期间的theta和beta频带的功率发生了显著变化。特别是，在脑电波频带功率的变化主要集中在左半球。当任务复杂性增加时，ERD/ERS的相对量和持续时间也随之增加。ERD/ERS分析还显示了大脑不同区域在认知任务期间的同步和去同步变化。

相干性分析

相干性分析验证了ERD/ERS分析的结果，显示在认知任务期间，不同脑区的电活动在特定频率范围内的同步性有所变化。左半球在执行心算任务时的ERS量增加，右半球在预刺激阶段也显示出相对ERD/ERS的分布不对称。

结论与价值

本研究通过ERD/ERS和相干性分析揭示了大脑在认知任务期间的激活模式及其区域分布。这些结果不仅有助于理解大脑在复杂认知任务期间的功能重排过程，还为未来的研究提供了基础，特别是在认知神经科学、数学技能发展和脑机接口领域的应用。

研究亮点

1. ERD/ERS与相干性联合分析：本研究首次将ERD/ERS与相干性分析方法结合，用于心算任务期间的脑电活动研究。
2. 大脑功能重排的区域分布：研究详细描述了在认知任务期间大脑不同区域的同步和去同步变化，提供了更精确的脑功能图谱。
3. 数据的广泛应用前景：研究结果为未来在认知神经科学、教育和脑机接口开发等领域的应用提供了重要参考。

结论

通过ERD/ERS和相干性分析，本研究详细揭示了大脑在执行复杂认知任务（如心算）期间的功能激活模式及其区域分布。结果表明，ERD/ERS和相干性联合分析是一种有效的方法，可以提供有关认知任务期间大脑功能状态的可靠信息。这些发现不仅有助于加深对大脑功能重排机制的理解，还有助于推动未来在认知神经科学和脑机接口领域的应用研究。