摘要： 目的 脑电相干幅谱是目前用来研究脑电同步性变化的主要指标，但由于计算中可靠性的要求，不可能同时具备较高的时间和频率分辨率，因此其应用价值受限，特别是难以进行事件关联性观察。为此,本文报道一个可以克服上述局限的新方法。 方法 1.利用快速哈特莱变换和建立的算法得出具有1 s和1 Hz分辨率的相干相位。2. 对相干相位值序列的动态变化和分布特征进行分析。3. 根据相干相位的分布特征提出了脑电同步指数谱SynI(f)的概念和计算方法。利用此方法，计算了25名正常青年被试者在对视觉信号进行选择区分反应作业中的事件关联脑电同步指数谱。 结果 (1) 左右脑区之间的脑电同步指数谱表现出一定的脑区-频率特征，在额区α活动的SynI高于其它频率，但在后脑区则相反；(2) 除中央脑区外，额区和后脑区的中线与左右两侧的SynI有不大但统计上显著的差别，且都是右侧大于左侧； (3) 与VC比, DR作业中靶信号在中央脑区和后脑区引起SynI显著增大，但在中央脑区主要发生在7～23 Hz，而在后脑区则在1～4 Hz，额区无明显变化；对非靶信号的反应在程度上明显小于靶信号，特别是后脑区的1～4 Hz活动。 结论 本文报道的脑电同步指数谱可以从一个新的侧面揭示出脑在进行认知活动中的空间-频率反应特性。

中图分类号：R741.044；R338.3文献标识码：A文章编号：1002-0837(2000)02-0095-06

EEG Synchronization Index Spectrum: Definition, Calculation and The Changes related to Visual Selective Response

WEI Jin-he，ZHAO Lun，REN Wei，YAN Gong-dong，LI Da-chen，YANG Ming-hao.

abstract: Objective EEG synchronization is usually estimated in terms of coherence amplitude, but the estimation is with apparent uncertainty because of the poor resolution both in time and frequency. The purpose of this work is to surmount this problem. Method A new definition of EEG synchronization index spectrum［SynI(f)］ was developed basing on the distribution characteristics of EEG coherence phase which was calculated by a tested algorithm with 1 s and 1 Hz resolution. The basic feature and its changes during visual selective responses were calculated in 25 normal subjects. EEG signals were recorded from 9 locations in two conditions: looking at the central LED only(VC) and making switch response to the target LED flash signals(T) differentially(DR): switch to left or right for Ts from left(LVF) or right (RVF) visual field, repectively but making no response to the non-target ones(NT). Result (1) The frequency depedency of SynI varied with brain location, e.g., SynI was higher in alpha range than others at frontal locations but the situation reversed at posterior locations.(2) The SynIs between midline and right brain locations were higher than that between mid line and left ones.(3) As compared with VC, SynI was increased in DR condition at central and posterior brain locations but not frontal ones, it happened mainly in 7～23 Hz at central locations but in 1～4 Hz at posterior ones.(4) The augmentation of SynI in DR was greater for T than for NT signals. Conclusion The results indicated that the SynI(f) was meaningful for studying the frequency-spatial feature of EEG synchronization change among brain locations related to cognitive activities.

Key words:EEG synchronization index spectrum;coherence;selective attention;cognitive activity

由头皮上记录的脑电信号源于大脑皮层下大量神经网络的活动。在脑电的分析中，相干分析日益得到重视^［1～4］。脑电相干是各种频率的脑电活动在不同脑区之间同步性的度量。也就是说，它要回答如下问题：由不同脑区记录的同一频率的脑电信号是相互独立的还是存在某种同步关系？如果存在一定的同步关系，则同步程度和相位关系如何？再进一步，这些相干特点与脑的状态有何关系？就脑电的频率、强度、时间和空间四种特性来看，脑电相干研究的是脑电活动在一定时间维度内的空间同步关系。鉴于脑是一个由上千亿个神经元组成的极为复杂而有序的巨系统，在皮层下结构与大脑皮层之间，以及皮层的各部分之间均存在着交互联系，形成多层次的特异性通路和分布广泛的非特异性网络。这种复杂的空间关系及其在认知活动中的动态变化必然会通过脑电活动反映出来。因此，脑电的相干分析对于从整体上、功能上揭示这些空间关系及加深对脑电功能意义的理解无疑是一个重要的手段。

Tatcher等^［5］通过对脑电相干幅值和相位在不同脑区分布关系的分析，认为存在两个相干源，一个是局部的，具有弥散性，另一个则是通过长神经纤维构成的反馈回路。 Show等^［6］发现在进行空间想象任务时具有较高操作能力的被试者其左右脑间的相干幅值增大，而多数左利手者则下降。Petsche和Rappelsberger^［7］ 报道在聆听音乐或语言信息时，左右脑及二者之间的相干变化表现出一定的空间－频率特点，且与智力素质有关。Bullock等^［8］用慢性植入的脑内电极发现二个邻近电极间的脑电相干是随机波动的，提示神经网络之间的联系是动态多变的。

在脑电相干的计算中，为得到可靠的相干幅值结果，需要有足够大的自由度值^［9］，因而要保证频率分辨率就须牺牲时间分辨率，反之亦然。而要了解各频率的相干动态就需有较高的频率和时间分辨率。目前采用的相干幅值计算方法无法得到较满意的事件关联同步性变化的信息。本研究组建立了一个具有1 s、1 Hz的分辨率的计算相干相位的方法，借以研究了各频率脑电活动相干相位的变化动态和分布规律，发现各相干对的相干相位均表现为遵从准正态分布的随机变量，其均值接近0。根据相干相位的上述分布特征，导出了脑电同步指数谱［SynI(f)］的计算方法，从而可以得出与选择反应作业中靶和非靶信号关联的SynI(f)的变化。

方法

被试者和实验条件被试者为25名健康大学生（23.2±2.1岁），均为右利手。实验在隔音电屏蔽室内进行，被试者取卧位。

输入信号和作业任务刺激信号为来自左右视场的红、绿闪光，亮度适中，由位于距中心3 cm处的双色发光二极管(LED)提供，每套含120个闪光，4种闪光（左绿、左红、右绿、右红）随机出现，概率相等，间隔在1.5～2.3 s范围内随机变化。视觉刺激装置放在被试者面前距眼约30cm的位置。

在如下二个条件下记录脑电反应：（1）仅要求被试者注视视场中心的弱光恒亮的黄色LED，对左右视场的闪光均不作反应（VC）；（2）与（1）同，但要求被试者对靶信号进行选择区分反应（DR），即对左靶向左拨开关，右靶向右拨开关，取红或绿色闪光为靶，在被试者中交叉。开关为特制的带柄微动开关，力矩很小。

信号记录记录9导脑电信号，其部位为10-10脑电电极系统^［10］的F5、F6、C5、C6、P5、P6、Fz、Cz和Pz，以双乳突为参考，在左眼上下记录眼动信号，记录频带为0.05～100 Hz。EEG、EOG和代表4种闪光信号的事件脉冲皆以256/s的采样率数字化后存于光盘。

实验步骤在固定好所有电极后让被试者熟悉实验室环境和实验步骤，然后进行视对照及选择区分反应条件下的记录。几天后重复一次。

脑电同步指数谱的计算

（1）相干相位的计算

设x(i)和y(i)，i=1,…,N分别为二个脑区的数字化的脑电信号，其自功谱分别为Sxx(k), Syy(k), k=1,…,M(Hz)。若二者之间存在一定的同步关系，则它们之间应有一个不为零的互功谱，即Sxy(k),k=1,…,M(Hz)。Sxy(k)为复数，由其实部Cxy(k)和虚部Qxy(k)即可计算出x和y的相干相位，即

Pxy(k)=360/2((arctg［Qxy(k)/Cxy(k)］,k=1,…,M(Hz(1)

本文利用快速哈特莱变换^［11］计算出x、y的变换系数Hx(k)和Hy(k)，k＝1，…，N，并由下式计算Qxy(k)和Cxy(k)：

Qxy(k)=Hx(k)Hy(N-k)+Hx(N-k)Hy(k)(2)

Cxy(k)=Hx(k)Hy(k)+Hx(N-k)Hy(N-k)(3)

为使由（1）式计算所得的相位值正确地落在-180°～+180°范围内，需根据Cxy(k)和Qxy(k)的符号进行如下变换：

Pxy(k)=Pxy(k)+180, 当Cxy(k)＜0且Qxy(k)＞0

Pxy(k)=Pxy(k)-180, 当Cxy(k)＜0且Qxy(k)≤0

上述相位的计算方法，经过混有噪声的已知相位的模拟信号的验证，证明是可靠的。

（2）脑电同步指数的计算

脑电相干相位的准正态分布特征（图1）表明，不同脑区之间的各种频率脑电活动是随机同步的，因而相干相位可用来估计脑电的空间同步性。因此，下面将定义一个脑电同步指数，原理如下：假定在一定的时间内（如64 s），得出二个脑区间的Nc个相干相位值，若此二脑区的电活动是<