睡眠中不同時期腦功能活動的一致性分析: EEG study

Consistency Analysis of brain activity across subjects during sleep stages: EEG study

吳雨津

指導教授 ： 莊克士

國立清華大學/原子科學院/核子工程與科學研究所/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00364

摘要

睡眠是人類一天中不可或缺的活動，睡眠不只可消除疲勞，同時也進行身體及大腦功能修復。當我們睡著時，意識褪去，與外界刺激相連繫的大腦皮質漸漸不活化，雖然對外在刺激沒有反應，但腦部仍有活動，所以被認為這時期的腦部活動是自發性的 [1]，假如知道活動的區域，便可推測腦部在睡覺時的功能網絡。目前 fMRI 和 PET 兩者是主要用來取得功能性影像的儀器，但是MRI的噪音可能會干擾結果，而 PET 會使受試者受到輻射照射。因此，在非侵入性的腦造影上，MRI較常使用。而Loreta（low resolution brain electromagnetic tomography)可藉由EEG（electroencephalogram）的資料計算電流強度來推算神經活化的起源位置，因為腦部活化的地方就是神經元放電的地方，因此透過估計電流起源的分佈就是腦部活化區域的分佈 [2,3,4]。在這篇論文裡，我們試著要去找出睡眠中四個不同頻帶相對應的腦部活化區域 [5]，如果在不同的睡眠時期（即相對應的頻帶）這四個頻帶活化的位置在所有受試者都相同，我們便認為這些活化位置在睡眠時期中有空間上的一致性。實驗過程中一共有17位健康的受試者，皆為男性，平均年齡 23.82±4.46 歲。受試者帶著含有32個電極的EEG頭套，電極分佈範圍涵蓋整個腦部，採集 2 小時的睡眠 EEG 訊號後，由睡眠技師做睡眠分期，然後對每位受試者挑出波型較不受干擾的清醒期，第一期，第二期，第三期各 30 秒，之後用獨立成分分析法將腦電訊號分解，再選出我們有興趣的獨立成分用逆投影法重組回腦電圖。利用 Loreta 把篩選後的 EEG 訊號轉換成功能性影像，以顯示出活化的區域。我們測量活化區域中的最大電流值來當作指標，並用 t test 將 Brodmann 各區與全腦做比較找出顯著活化位置。從結果中發現 Brodmann Area 9（前額葉）在這四個頻帶都有活化；Brodmann Area 32（前扣帶迴）在 β、α、θ 頻帶有活化；BA6（額葉）在 α、θ、δ 頻帶裡有活化。若將每個頻帶的活化區域做大範圍的歸納，可發現β波在大腦中央與額葉有較密集的活化；α 波在額葉有較強與密集的活化；θ 波在額葉與顳葉有較密集的活化；δ 波則是在後半腦有明顯的活化。若將這幾個區域連起來，可得睡眠流程圖（dynamic sleep pathway）。另外也發現在δ頻帶中，BA6,9（前額葉）、BA 7（楔葉）、BA39（角葉）、BA40（雙側下頂葉）和BA30（後扣帶迴）同時有活化的現象，這幾個區域是固有網路連結所涵蓋的區域。這些結果顯示深睡時額葉仍在顯著活動，而固有網路連結與 δ 波較有關係。

關鍵字

EEG ； 睡眠 ； 腦功能

參考文獻

1. C. J. Henderson, S. R. Butler, A. Glass. The localization of equivalent dipole of EEG sources by the application of electrical field theory. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. Vol 39. 1975. 117-130

2. R.D. Pascual-Marqui, C.M. Michel, D. Lehmann. Low resolution electromagnetic tomography： a new method for localizing electrical activity in the brain. International Journal of Psychophysiology. Vol 18. 1994. 49-65

4. T. T. Dang-Vu, M. Schabus, M. Desseilles et. al. Spontaneous neural activity during human slow wave sleep. PNAS. Vol.105. 2008, 15160-15165

5. E. M. Ventouras, P. Y. Ktonas, H. Tsekou et al. Independent component analysis for source localization of EEG sleep spindle component. Computational Intelligence and Neuroscience. Vol 2010. 2010.

6. T. J. Sejnowski, A. Destexhe. Why do we sleep? Brain Research. Vol 886. 2000. 208-223