心算任务复杂度对脑电the...lpha和beta波的影响_张丽平-1.pdf
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日期
：
２０
１９
－
０１
－
０２
修回
日期
：
２０
１９
－
０３
－
２７
基
金
项目
：
国家自然科学基金
（
６１２７１１５４
）；
广州市高校创新创业教育项目
（
２０
１７０９ｋ２８
）；
广州市科技
计划项目
（
２０１８０４０１０２８２
）
第一作者
：
张丽平
，
女
，
硕士研究生
，
研究方向为生物医学信号处理
。
Ｅ
－
ｍａ
ｉｌ
：
８７７６４２０９１
＠
ｑｑ
．ｃｏｍ
＊
通讯
作者
：
詹长安
，
男
，
博士
，
教授
，
研究方向为神经科学
、
生物医学信号处理
、
生物医学仪器研发
。
Ｅ
－
ｍａ
ｉｌ
：
ｃｚｎｅｌａｂ
＠
ｓｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＤＯ
Ｉ
：
１０．１６２８９
／
ｊ
．ｃｎｋｉ．１００２
－
０８
３７．２０１９．０３．００８
心算任务复杂度对脑电
ｔｈ
ｅｔａ
，
ａｌ
ｐ
ｈａ
和
ｂｅｔａ
波的影响
张丽
平
，
詹长安
＊
（
南方医
科大学生物医学工程学院
，
广东广州
５１０５１５
）
摘要
：
目
的 以
１Ｈ
ｚ
为频宽单
位比较两种复杂度心算任 务下
４
～
３０
Ｈｚ
范围的脑
电功率谱
，
分析其与 文
献中以经典脑电波段划分所得结果的关系
。
方法
１４
名健康志愿者完成两种复杂度的心算任务
，
同步采
集其脑电数据
。
对前额和顶叶区域内
１０
个代表性通道预处理 后的脑电数据采用
Ｗｅ
ｌｃｈ
算法实现
谱估
计
，
相对基线期做归一化处理
，
获得两种复 杂度心算任 务下的相对功率谱密度
，
并逐一配对
ｔ
检验每
１
Ｈｚ
频宽单
位内功率谱差异的显著性
。
结果 前额和顶叶区域能体现心算任务复杂度差异的脑电信号精
细频率范围分别为
１０
～
２
５Ｈｚ
和
９
～
２５Ｈｚ
（
Ｐ
＜
０．
０５
）。
结论 较高频
段
ａｌ
ｐ
ｈ
ａ
波和较低频
段
ｂｅ
ｔａ
波能较
好地表征心算
任务的复杂度
，
以
１Ｈ
ｚ
为频宽单
位对脑电功率谱的精细区间分析是对基于经典脑电节律
划分分析的一种补充
。
关键词
：
心算任务
；
复杂度
；
脑电
；
功率谱估计
；
工作记忆
中图分类号
：
ＴＰ
３９１
；
Ｒ３１８
文献
标识码
：
Ａ
文章编号
：
１０
０２
－
０８
３７
（
２０１９
）
０３
－
０２
３５
－
０８
Ｉｍ
ｐ
ａ
ｃｔ
ｏ
ｆ
Ｍｅ
ｎｔａｌ
Ａｒ
ｉｔｈｍｅｔｉｃ
Ｃｏ
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ｌｅｘｉｔ
ｙ
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Ｔｈ
ｅｔａ
，
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ｈ
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ａｎ
ｄ
Ｂｅ
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ＥＥ
Ｇ
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ｈａｎ
ｇ
Ｌｉ
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ｉｎ
ｇ
，
Ｚｈａｎ
Ｃｈａｎ
ｇ
’
ａｎ．Ｓ
ｐ
ａｃｅ
Ｍｅｄｉｃｉｎｅ
＆ Ｍｅｄｉｃａｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
，
２０１９
，
３２
（
３
）：
２３５
－
２４
２
Ａｂｓｔｒａｃｔ
：
Ｏｂ
ｊ
ｅｃｔｉｖｅ
Ｕｓｉｎ
ｇ
１ Ｈｚ
ａｓ
ｔｈｅ
ｕｎｉｔ
ｏｆ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈ
，
ｔｈｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏ
ｇ
ｒａｍ
（
ＥＥＧ
）
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ｏｗｅｒ
ｓ
ｐ
ｅｃ
－
ｔｒ
ｕｍ
ｅｓｔｉｍａｔｅｓ
ｗｉｔｈｉｎ
ｔｈｅ
４
～
３０ Ｈｚ
ｆｒｅ
ｑ
ｕｅｎｃ
ｙ
ｒａｎ
ｇ
ｅ
ｏｆ
ｔｗｏ
ｃｏｍ
ｐ
ｌｅｘｉｔ
ｙ
ｌｅｖｅｌｓ
ｏｆ
ｍｅｎｔａｌ
ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ
（
ＭＡ
）
ｔａｓｋｓ
ｗｅｒｅ
ｃｏｍ
ｐ
ａｒｅｄ
ａｎｄ
ｉｔｓ
ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉ
ｐ
ｗｉｔｈ
ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ
ｉｎ
ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ
ｕｓｉｎ
ｇ
ｃｌａｓｓｉｃ
ＥＥＧ
ｂａｎｄ
ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ
ｗａｓ
ａｎａｌ
ｙ
ｚｅｄ．Ｍｅｔｈｏｄｓ
Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ
ＥＥＧｓ
ｗｅｒｅ
ｒｅｃｏｒｄｅｄ
ｉｎ
１４ｈｅａｌｔｈ
ｙ
ｓｕｂ
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ｅｃｔｓ
ｐ
ｅｒｆｏｒｍｉｎ
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ｔｗｏ
ｃｏｍ
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ｌｅｘｉｔ
ｙ
ｌｅｖｅｌｓ
ｏｆ
ＭＡ
ｔａｓｋｓ．Ｔｈｅ
Ｗｅｌｃｈ
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ｏｗｅｒ
ｓ
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ｅｃｔｒａｌ
ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ
ａｌ
ｇ
ｏｒｉｔｈｍ
ａｎｄ
ｔｈｅ
ｂａｓｅｌｉｎｅ
ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ
ｗｅｒｅ
ｅｍ
ｐ
ｌｏ
ｙ
ｅｄ
ｆｏｒ
ｔｈｅ
ｐ
ｒｅ
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ｒｏｃｅｓｓｅｄ
ＥＥＧ
ｄａｔａ
ｏｆ
１０ｒｅ
ｐ
ｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ
ｅｌｅｃ
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ｔｒ
ｏｄｅｓ
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ｔｈｅ
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ｒｅｆｒｏｎｔａｌ
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ａｒｅａｓ
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ｏｗｅｒ
ｓ
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ｅｃｔｒａ
ｄｅｎｓｉｔ
ｙ
（
ｒＰＳＤ
）
．
Ｐａｉｒｅｄ
ｔ
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ｔｅ
ｓｔｓ
ｗｅｒｅ
ｐ
ｅｒｆｏｒｍｅｄ
ｏｎ
ｒＰＳＤ
ｆｏｒ
ｔｗｏ
ｃｏｍ
ｐ
ｌｅｘｉｔ
ｙ
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ｏｆ
ＭＡ
ｔａｓｋｓ
ａｔ
ｅａｃｈ
１Ｈｚ
ｆｒｅ
ｑ
ｕｅｎｃ
ｙ
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ｐ
．Ｒｅｓｕｌｔｓ
Ｔｈｅｒｅ
ｗｅｒｅ
ｓｉ
ｇ
ｎｉｆｉｃａｎｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ
ｉｎ
ＥＥＧ
ｐ
ｒｅｆｒｏｎｔａｌ
ａｎｄ
ｐ
ａｒｉｅｔａｌ
ｒＰＳＤ
ｏｆ
ｔｗｏ
ｃｏｍ
ｐ
ｌｅｘｉｔ
ｙ
ｌｅｖｅｌｓ
ｏｆ
ＭＡ
ｔａｓｋｓ
ｗｉｔｈｉｎ
ｔｈｅ
１０
～
２５Ｈｚ
ａｎｄ
９
～
２５Ｈｚ
ｆｒｅ
ｑ
ｕｅｎｃ
ｙ
ｒａｎ
ｇ
ｅｓ
ｒｅｓ
ｐ
ｅｃｔｉｖｅｌ
ｙ
（
Ｐ
＜
０．
０５
）
．Ｃｏｎ
－
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ｕｓｉｏｎ
Ｔｈｅ
ｒＰＳＤ
ｉｎ
ｔｈｅ
ｕ
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ｅｒ
ａｌ
ｐ
ｈａ
ａｎｄ
ｌｏｗｅｒ
ｂｅｔａ
ｂａｎｄｓ
ａｒｅ
ｅｘ
ｐ
ｅｃｔｅｄ
ｔｏ
ｂｅ
ｕｓｅｄ
ａｓ
ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ
ｆｏｒ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎ
ｇ
ｍｅｎｔａｌ
ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ
ｔａｓｋ
ｃｏｍ
ｐ
ｌｅｘｉｔ
ｙ
．Ｔｈｅ
ａｎａｌ
ｙ
ｓｉｓ
ｏｆ
ＥＥＧ
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ｏｗｅｒ
ｓ
ｐ
ｅｃｔｒｕｍ
ｕｓｉｎ
ｇ
１Ｈｚ
ａｓ
ｔｈｅ
ｕｎｉｔ
ｏｆ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈ
ｉｓ
ａ
ｃｏｍ
ｐ
ｌｅｍｅｎｔ
ｔｏ
ｔｈａｔ
ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｃｌａｓｓｉｃａｌ
ＥＥＧ
ｒｈ
ｙ
ｔｈｍ
ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ．
Ｋｅ
ｙ
ｗｏｒｄｓ
：
ｍｅｎｔａｌ
ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ
；
ｃｏｍ
ｐ
ｌｅｘｉｔ
ｙ
；
ＥＥＧ
；
ｐ
ｏｗｅｒ
ｓ
ｐ
ｅｃｔｒｕｍ
ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ
；
ｗｏｒｋｉｎ
ｇ
ｍｅｍｏｒ
ｙ
Ａｄｄｒｅｓｓ
ｃｏｒｒｅｓ
ｐ
ｏｎｄｅｎｃｅ
ａｎｄ
ｒｅ
ｐ
ｒｉｎｔ
ｒｅ
ｑ
ｕｅｓｔｓ
ｔｏ
：
Ｚｈａｎ
Ｃｈａｎ
ｇ
’
ａｎ．Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ
Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
，
Ｓｏｕｔｈｅｒｎ
Ｍｅｄｉｃａｌ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
，
Ｇｕａｎ
ｇ
ｚｈｏｕ
Ｇｕａｎ
ｇ
ｄｏｎ
ｇ
５１０５１５
，
Ｃｈｉｎａ
心算
（
ｍｅｎｔａｌ
ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ
，
ＭＡ
）
任务是常见的
认知任
务之一
，
根据人的认知能力和问题的复 杂
度
，
可能存在
３
种不同的认知策略
［
１
］
，
包括计数 策
略
、
检索策略
、
分解策略
，
而 成年人一般 采 用
后 两
种策略
［
１
－
２
］
。
对于 答 案 已 经 存 在 于 成 年 人 大 脑 中
的简单心算
题
（
例如
５×
６
，
３＋８
），
最有效
的 方 式
就是检索长期记忆中的算术知识
；
对于大脑中 没
有直接答案的复杂心算题
，
需要 将问题进行分 解
成多个小问题
，
每个小问题得以使用检索方 法 求
解得 到 阶 段 性 结 果
，
暂 存 于 工 作 记 忆
（
ｗｏ
ｒｋｉｎ
ｇ
ｍｅｍｏｒ
ｙ
，
ＷＭ
），
然后将工作记忆中的结果整合成
最终答案
。
另外
，
心算能力
、
问 题 复 杂 度
、
完 成 心
算任
务的时间共同决定大脑的工作负荷水平
，
可
能造成不同程度的急性心理压 力
［
３
］
，
而 工 作 记 忆
又涉及大脑的
３
种 机 制
——
—
中 央 执 行 单 元
、
语 音
环路以及
视空间模板
［
４
］
。
第
３２
卷
第
３
期
航天医学与医学工 程
Ｖｏｌ．３２
Ｎｏ．３
２０１９
年
０６
月
Ｓ
ｐ
ａｃｅ
Ｍｅｄｉｃｉｎｅ
＆ Ｍｅｄｉｃａｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
Ｊｕｎ．２０１９
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