基于脑电图与心理及时间负荷的精神分裂症谱系大脑表现研究

《Sensors》：Investigation of Brain Performance in the Schizophrenia Spectrum Using EEG with Mental and Temporal Effort

　　

精神分裂症谱系障碍（Schizophrenia Spectrum Disorder）以导致行为改变而广为人知，它使许多仍有工作能力的专业人士失去工作。本研究旨在探讨将脑电图检查（electroencephalography, EEG）与标准化心理努力序列相结合，作为精神分裂症个体及希望重返职业活动者的临床诊断辅助工具及治疗反应监测手段。研究人员在一组由25名临床稳定的、诊断为伴有阳性症状的精神分裂症个体组成的受试组，以及一组由11名健康志愿者组成的对照组中，于完成一组定时心理努力任务之前（初始记录，IR_Initial Register）和之后（最终记录，FR_Final Register）采集EEG数据。研究人员使用时域和频域描述符对两组数据进行比较，并对结果进行统计分析。结果显示，在FR阶段，精神分裂症组的Vtotal参数较健康组低7.89%，频率参数较健康组低16.35%。在持续认知努力的持续时间耐受参数方面观察到显著差异：57.9%的健康志愿者维持了100%的努力持续时间，而精神分裂症志愿者中该比例为6.1%。

论文解读：基于脑电图与心理及时间负荷的精神分裂症谱系大脑表现研究

一、研究背景与问题

精神分裂症是一种高度致残性疾病，每年导致众多专业人士退出劳动力市场，造成早期退休及大量辍学，进而带来智力资本的显著损失。全球约1%的人口受该病影响，且其病因涉及遗传、营养、代谢、生理、心理、精神及环境等多因素交互作用。精神分裂症可分为阳性症状型（预后较好）和阴性症状型（预后较差）。经过适当治疗（药物、疗法、营养及健康生活方式），阳性症状型患者的病情恶化可被延缓，使其能够更长时间保留智力资本并维持生产力。然而，即使症状稳定，许多患者仍希望重返工作，但该病引起的额叶损伤导致突触增益和神经发生过程缓慢，使认知功能恢复面临挑战。现有评估工具缺乏基于客观神经电生理指标的量化手段，难以精确判断患者的工作耐力和负荷耐受能力。因此，亟需一种可重复、非侵入性且能反映大脑功能状态的工具，以辅助临床诊断并监测治疗反应，特别是评估患者重返职业活动的可行性。脑电图（electroencephalography, EEG）具有无毒性造影剂、可高频重复检查的优势，结合标准化心理努力任务，可能提供反映精神分裂症大脑电生理特征的客观参数。

二、研究目的与设计

本研究旨在探讨将EEG与标准化心理努力序列相结合，作为精神分裂症临床诊断的补充工具，并用于监测治疗反应及评估患者重返专业活动的潜力。研究人员招募了33名临床稳定的阳性症状型精神分裂症患者（SCHIZ组）和19名健康对照者（HEALTHY组）。经过排除标准筛选（贫血、血糖异常、未完成全部任务等），最终有效样本为25例SCHIZ和11例HEALTHY。研究在巴西库里蒂巴大都市区的精神病医院及大学内进行，经伦理委员会批准。所有受试者在完成一系列定时心理努力任务前（IR阶段）和后（FR阶段）接受EEG记录；任务包括言语流畅性、集中注意、分散注意、人脸记忆、人脸识别、规则与模式识别、数字推理、彩色图形组合及音乐感受等九个阶段，总最长75分钟，各任务间设300秒休息。研究人员比较了IR与FR阶段的EEG总电压（Vtotal, Vt）、有效电压（Vrms, Vr）及优势频率（F）等参数，并记录了各组耐受心理努力的持续时间。

三、关键技术方法

研究人员采用了时域和频域描述符对EEG信号进行分析。时域参数包括峰峰值电压（Vt）、均方根电压（Vr）；频域参数为通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）获取的每1秒epoch的优势频率（F）。EEG数据采用22通道Neurotec设备按国际10-20系统采集，每epoch采样256点，每阶段选取10个无伪迹epoch计算均值。统计方法包括Anderson-Darling正态性检验、Mood中位数检验、Welch方差分析及同方差性残差分析。心理努力任务均经巴西心理学区域委员会认证，研究人员记录了每个志愿者在各任务中的坚持时间，以总时间的百分比表示耐受程度。

四、主要研究结果

1. 血液筛查与样本特征

所有志愿者的贫血筛查均为阴性，血糖水平在任务前后均保持在80 mg/dL至106 mg/dL（4.44 mmol/L–5.88 mmol/L）范围内。最终分析样本中，HEALTHY组平均年龄30.3岁，平均受教育年限15.5年；SCHIZ组平均年龄31.5岁，平均受教育年限8.08年。

2. Vtotal（Vt）参数在IR与FR阶段的比较

研究人员对国际10-20系统所有电极位置的Vt值进行了正态性检验。HEALTHY组在IR阶段所有位置均呈正态分布，FR阶段仅A2位置偏离正态；SCHIZ组在IR和FR阶段均有多个位置偏离正态，且呈左侧偏侧化趋势。中位数比较显示，SCHIZ组Vt中位数在IR阶段比HEALTHY组低3.85%，FR阶段低7.89%。残差分析表明，FR阶段SCHIZ组同方差性区间几乎消失，提示心理努力后SCHIZ组大脑电活动不稳定性显著增加。箱线图显示SCHIZ组在FR阶段出现大量离群值，且O1和O2位置电位的显著降低与文献报道的枕区灰白质丢失相一致。

3. Vrms（Vr）参数在IR与FR阶段的比较

Vr为Vt的均方根值，其行为与Vt类似。HEALTHY组在IR阶段所有位置均呈正态分布，FR阶段多个位置偏离正态；SCHIZ组在IR和FR阶段均有多个位置不符合正态分布。中位数比较显示，SCHIZ组Vr中位数在IR阶段比HEALTHY组低5.55%，FR阶段低10.70%。残差分析显示两阶段均存在较高异方差性，但中位数趋势表明SCHIZ组在FR阶段有效电压进一步下降。

4. 优势频率（F）参数在IR与FR阶段的比较

研究人员通过FFT计算每个epoch的优势频率。HEALTHY组在IR阶段中位数接近9.78 Hz，FR阶段为10.13 Hz；SCHIZ组在IR阶段中位数为8.32 Hz，FR阶段为8.47 Hz。SCHIZ组F参数在IR阶段比HEALTHY组低14.91%，FR阶段低16.35%。箱线图显示SCHIZ组频率波动更大、离群值更多，且FR阶段离群值从IR阶段的15个增至25个（增加66.66%），表明心理努力导致SCHIZ组大脑节律进一步失稳。

5. 心理努力持续时间的组间比较

所有志愿者均被鼓励完成全部九项任务，但并非所有人都坚持到最后。任务完成率最高的放弃项依次为规则与模式识别、数字推理和人脸识别。HEALTHY组中有11名志愿者（57.9%）坚持了100%的任务总时间（75分钟），其余均超过90%；SCHIZ组中仅2名（6.1%）达到100%，其余集中在22.66%至90.66%之间。研究人员还注意到，SCHIZ组中受教育程度较高的志愿者坚持时间更长，而认知缺陷更明显者可能因焦虑或急于摆脱任务而提前放弃。HEALTHY组中唯一一个64%完成度的志愿者后来被确认患有精神分裂症而排除。结果表明，SCHIZ组大脑在持续认知努力方面的耐受性显著低于健康大脑。

五、讨论与结论

研究人员指出，精神分裂症影响多个认知域，包括注意力维持、感知速度、工作记忆、言语及视觉学习、抽象推理和问题解决等。本研究通过模拟真实生活脑负荷，评估了电压和频率参数在健康与患病大脑间的差异。由于缺乏同类的绝对电压和频率数据研究，结果比较受限。研究发现，即使药物稳定行为，SCHIZ组在FR阶段的Vt、Vr和F参数较HEALTHY组分别低7.89%、10.70%和16.35%，表明精神分裂症大脑在心理努力后电生理水平进一步下降，优势频率（F）为受影响最显著的参数。半球平均中位数差异不大，但O1和O2点显著较低，支持枕区病理改变。SCHIZ组在FR阶段离群值大幅增加，提示心理努力导致脑内电活动失组织化，这解释了其持续努力时间显著缩短的现象。研究人员推测，认知保存较好的志愿者能坚持更长时间，而认知缺陷显著者倾向于快速完成任务以回避努力，可能涉及电解质调节失衡或突触间隙不稳定等机制，但这些仍需进一步研究。

研究结论指出，尽管实验要求严格且耗时较长，未发生任何不良事件。最终静息状态（FR）下，精神分裂症组的EEG振幅（Vtotal）比健康组低7.89%，EEG优势频率（F）低16.35%。在持续认知努力时间方面，59%的健康志愿者达到预定时间（75分钟），且100%的健康志愿者表现超过90%；而SCHIZ组中仅6%达到预定时间，21%表现超过80%。本研究为精神分裂症患者持续心理努力的绘制提供了方法论和技术贡献，可用于治疗进展评估、重返工作决策或工作时间调整。该研究填补了关于精神分裂症职业功能客观量化评估的重要科学空白，提供了一种从时间维度量化工作能力的途径。