心脑功能耦合及信息传递研究

Mental activities such as stress and emotional excitement can increase the incidence of malignant arrhythmia and sudden cardiac death in patients with organic and ischemic heart disease. Therefore the interaction of senior nerve and autonomic nerve cause more and more attention. This work is aimed to study the relationship between autonomic system and scalp potential activity, and find the scalp position corresponding to cardiac activity, and demonstrate the characteristic of brain and heart information transmission. First, The time course of changes in Multi-channel EEG, ECG, blood pressure, respiratory and thoracic Electrical Bioimpedance (TEB)signals would be studied. Some feature parameters that sensitively reflect the brain neurons activity which is caused the changes of cardiac function by adjusting autonomic nervous system passively and initiatively could be extracted. Furthermore, Neural dynamics model of whole brain regions contacting with the autonomic nerve would be analyzed and established. Third, we would extract and fuse characteristic parameters of brain activity and heart function. Finally an effective new method that could be used for the analysis of brain and heart relationship would be explored. The research and related results would provide the powerful tools for the analysis of EEG functional coupling and the information flow from brain to heart. The study would deepen our understanding of the brain's mechanism of processing information during lying, and overcome the disadvantages of current EEG-based detection techniques. The study would help to clarify the mechanism of cardiovascular and cerebrovascular diseases and raise treatment methods.

大脑皮层的意识活动，如精神紧张、情绪激动等，均能增加器质性心脏病、尤其是缺血性心脏病患者恶性心律失常和心源性猝死的发生率，因此高级神经中枢与自主神经的关系越来越为人们所关注。本项目旨在探索脑皮层电活动与自主神经的关系，发现与心脏自主神经有关的头皮位置，并阐明心脑信息传递的特点。通过研究多通道脑电和心电信号以及血压、呼吸、胸部阻抗等多维参量的时程变化，提取大脑在被动应激和主动调控心脏时，表征脑部神经元活动的敏感性特征参量；研究建立与自主神经联系的整个脑区的神经动力学模型；研究表征脑活动和心脏功能的特征参量的提取和融合，探索分析心脑关系的新方法。研究成果不仅可以发现分析头皮神经元的耦合及头皮到心脏信息传递的有力工具，而且有助于阐明相关心脑血管疾病的机理以及治疗方法的提出。

精神紧张、焦虑等脑活动可以导致心脏疾病, 而冥想能够改善心脏功能。脑运算被证明能引起大脑和心血管反应，但是，反应机理和顺序还不清楚。课题研究不同应激对时变自主神经反应和心血管耦合的作用，揭示心血管和自主神经的作用机理以及调节自主神经系统的相关头皮位置。.60名健康男性受试者自愿参与实验研究，年龄19到27岁。同时连续记录静息、5分钟心算任务和5分钟冷加压过程中的脑电、RR间期序列、心脏收缩压和舒张压、心搏量、心输出量和体循环血管阻力数据。压力反射敏感性由传递函数方法获得，RR间期的连续小波变换用来描述自主神经活动的时变模式，小波互相关和相位同步用来评估RR间期和心收缩压的幅度和相位耦合。采用时频分析、近似熵和Pearson相关系数分析脑电和心电信号的相互关系。采用有向传递函数、校正条件熵和动态因果模型的方法研究了不同应激任务引起心脏功能的变化以及皮层脑活动和心脏活动的耦合模式。采用配对t检验进行统计分析。. 结果表明, 心算任务通过延长副交感神经阻滞引起心率、心收缩压和舒张压以及心输出量的增加，压力反射敏感性降低，同时心血管耦合中断，表明心算任务中压力反射被阻止而心脑系统开始发挥作用。冷加压实验中，心收缩压、心舒张压和体循环血管阻力增加，而心率和压力反射敏感性没有变化，表明冷加压实验中交感神经活动暂时增加，心血管耦合没有变化。有趣的是冷加压过程中最大互相关系数在低频段频率显著增加，可能是压力反射回路谐振频率的变化引起的。研究还发现心算任务生理反应可以划分为两个阶段，第一阶段(10–110 s)，第二阶段(150–250 s)。第一阶段Fp2, Fz, F4, F7导联脑电近似熵与心率变异性高频的时频分析结果显著相关。第二阶段Fp2, Fz, C3, C4导联脑电近似熵与低频成分显著相关。对心脑间随机动态因果建模研究发现应激活动调节自主神经过程中脑皮层中央后区到前区的信息流增加, 心脑间的耦合程度显著增强。有向传递函数、校正条件熵和动态因果模型方法有望成为分析脑电信号的功能耦合及脑到心脏信息传递的有力工具。