视觉刺激引起情感变化时大脑的活动状态研究

　　0 引言

　　如今，脑电信号广泛应用于情感识别研究领域。 英国伦敦大学的 Eimer 和 Holmes 使用分别带有惊恐和中性表情的人脸图片作为视觉刺激并利用事件相关电位来找出惊恐情感和中性情感间的差异[1]. 美国休斯顿大学的 Zouridakis 等人通过过滤将原始脑电信号映射到常见的五个频带上，再分别求出五个频带所对应的频带能量，以此作为脑电特征进行情感识别[2]. Frantzidis 等人以图片作为视觉刺激对测试者进行试验，他们将所得到的数据分为心情愉悦和心情低落，高兴奋度和低兴奋度，并利用马氏距离分类法进行情感分类，具有很高的分类精度[3]. 虽然对情感分析的方法种类有许多[4-8],但通过事件相关去同步化/同步化方法研究情感识别的研究还有待深入，并且本研究在实现了当左右脑对应区域均为活动状态时，通过左右脑系数差值百分比判断哪一个区域活动较为剧烈的功能。

　　1 预备知识

　　当大脑皮质某区域受到感官、动作指令或想象运动等刺激而开始激活时，该区域的代谢和血流增加，同时进行信息加工可以导致相应频段的脑电信号振荡的幅度减低或者阻滞，这种电生理现象称作事件相关去同步化（ ERD）[9-10]. 大脑在静息或惰性状态下表现出明显波幅增高的电活动，将其称为事件相关同步化（ ERS）[11-12]. ERD/ ERS 具有频段特异性： 大脑振荡的活动频率范围波动较大，这些频率常被分为以下频段： delta（ < 4Hz） ,theta（ 4 ~7 Hz） ,alpha（ 8 ~12 Hz） ,beta（ 13 ~ 30 Hz） 及 gamma 频段（ > 30 Hz） .

　　Alpha 和 beta 频段的 ERD 可作为大脑激活的指标，而 ERS 的出现则表明大脑处于失活状态，提示皮质区域恢复到静息或惰性状态[13]. 本研究采用事件相关去同步化和同步化方法研究过滤后的脑电信号。 现有常用的 ERD/ERS 分析方法主要有时频图谱法（TFS），功率谱密度（PSD）曲线法，ERD / ERS 系数法，脑地形图法，功率谱嫡分析法，小波嫡分析法等[14-15]. 本文将主要介绍 ERD / ERS系数法。

　　2 方法

　　在介绍 ERD/ERS 系数法之前必须先引入另外两个概念：短时傅里叶变换（Short Time FourierTransform,STFT） 和功率谱密度 （ Power SpectralDensity,PSD）。

　　2. 1 短时傅里叶变换

　　一般情况下，ERD/ERS 的发生是与特定时间段的特定频段相关的，使用可以同时提取时域与频域信息的时频分析方法是更符合实际情况的选择。 因此基于短时傅里叶变换的时频图谱和功率谱密度法常用在诱发脑电信号的分析中。 短时傅里叶变换的公式如下：

　　公式涵义：在时域用窗函数去截信号，对截下来的局部信号作傅里叶变换，即在 t 时刻该段信号的傅里叶变换，不断地移动 t,即不断地移动窗函数的中心位置，即可得到不同时刻的傅里叶变换，这些傅里叶变换的集合，既是 Sx（ω，t）。

　　2. 2 功率谱密度

　　定义：当波的频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率，这被称为信号的功率谱密度。 功率谱密度（PSD）同样是基于短时傅里叶变换（STFT）其具体公式如下：

　　2. 3 ERD /ERS 系数

　　ERD / ERS 系数的计算公式如下：

　　其中，tR 为参考时间，tA 为测试时间，在本次研究实验中用当前选定的时间段作为参考时间，而间隔 0. 1 s 的后一个时间段作为测试时间。

　　2. 4 研究方法

　　整个实验 ERD/ERS 判断方法（ERD/ERS 系数零一法）：将原始脑电数据过滤为脑电极为 Fp2（右前额）、Fp1（左前额）、C4（右脑中央区域）、C3（左脑中央区域）为四个电极，beta 频带（14,18,22,26 和 30 Hz） 的脑电波数据。 设定时间段的时间长度为 0. 4 s,时间间隔为 0. 1 s,依次提取十一个时间段的脑电数据，计算十个事件相关去同步/同步系数。 将计算得到的同步去同步系数大于 0的值（表示同步）均标记为 1,小于 0 的值（表示去同步）均标记为 0,将 10 个数相加，若所得结果大于 7 则表明同步现象明显，小于 3 则表明去同步现象明显。

　　当左右脑对应区域均为 ERD 时，可以通过比较左右脑参考时间和测试时间功率谱差值的绝对值大小比较活动强度。 绝对值较大的代表能量下降多即活动强度大。 比较 Fp2 和 Fp1,C4 和 C3 脑电极十个时间段参考时间和测试时间功率谱差值的绝对值大小，若 Fp2 值大于 Fp1,证明 Fp2 区域能量下降的多，即活动强烈，C4,C3 同理。

　　3 实验

　　3. 1 测试者

　　所有测试者均为在校大学生，年龄在 20 ~25岁之间，25 名男性，10 名女性。

　　3. 2 实验准备

　　安装了如下电极：Fp1、Fpz、Fp2、C3、C4、F7、F8、Fz、C3、C4、T3、T4、Cz、P3、P4、T5、T6、Pz、O1、O2、Oz,奇数表示大脑左侧，偶数表示大脑右侧，Fpz、Fz、Cz、Pz、Oz 表示大脑中轴，两个耳垂电极A1、A2 及 Z 作为参考电极，并要求有地线接地。脑电极的具体位置根据 Neurofax EEG - 9100K（NKC,Japan）的国际电极位置系统的标准。 采样频率设为 1 000 Hz.

　　3. 3 实验步骤

　　第一步，让实验受试者保持放松闭眼，并记录其脑电波，时间大约 120 s,此过程的最大目的是为了让实验参与者能处于相当比较平和的状态；第二步，让受试者睁眼，给予高兴图片视觉刺激，引起其情感变化，并记录其脑电图；第三步，让受试者闭眼放松约 120 s,再给予不高兴图片视觉刺激，引起其情感变化，并记录脑电图。

　　4 结果

　　计算测试者分别在频段为 14、18、22、26、30Hz 时，Fp2、Fp1、C4、C3 四个脑电极上，十个时间段的 ERD/ERS 系数。 其具体的数据和图形情况，以某测试者为例，如表 1 和图 1.

　　表 1 表示 beta 波 14 Hz,视觉刺激为高兴时，某测试者在各电极各时间段的 ERD/ERS 系数。

　　每行表示 14 Hz 时，每个时间段的上各电极的ERD / ERS 系数，每一列表示特定电极上各时间段的 ERD/ERS 系数。

　　图1 第一行表示视觉刺激为高兴时 5 个 beta频段上特定电极的 ERD/ERS 系数图，每子图的横坐标表示时间段，纵坐标表示 ERD/ERS 系数最大上限和最小下限。 第二行表示视觉刺激为不高兴时5 个 beta 频段上特定电极的 ERD / ERS 系数图。

　　根据 ERD/ERS 系数零一法，分别计算所有男性和女性在视觉刺激时，beta 频段，各电极上的ERD / ERS 系数零一值和的平均值来判断其大脑活动状态，其具体内容如表 2 所示。

　　由表 2 可知，视觉刺激为高兴时，男性电极Fp2,Fp1 和 C3 均变现为 ERD,C4 表现为 ERS;视觉刺激为不高兴时，男性的 Fp2 和 Fp1,C3 和 C4均表现为 ERD,可以推断出男性对高兴和不高兴的视觉刺激反应均比较明显。 视觉刺激为高兴时，女性电极 Fp2,Fp1 和 C3 均变现为 ERD,C4 表现为 ERS;视觉刺激为不高兴时，女性的 Fp2,Fp1,C3 和 C4 均表现为 ERS,可以推断出女性只对高兴的视觉刺激明显。

　　当左右脑对应电极均表现为 ERD 时，即男性：高兴刺激时的 Fp2 和 Fp1 电极，不高兴刺激时的 Fp2 和 Fp1 电极，C4 和 C3 电极；女性：高兴刺激时的 Fp2 和 Fp1 电极。 比较功率谱差值绝对值，来判断大脑活动的强度，得出结果：视觉刺激为高兴时，男性 Fp1 上的谱密度差值较大，即左前额区域活动较为强烈；视觉刺激为不高兴时，男性 Fp2和 C4 上谱密度差值较大，即右额区域和右脑中央区域活动较为强烈，而女性 Fp2 上的谱密度差值较大，即右前额区域活动较为强烈。

　　5 结论

　　为了研究由视觉刺激产生的情感变化时大脑的活动状态，本文采用了 ERD/ERS 系数零一法通过特定时间段细化研究受刺激阶段的脑电信号，保证了状态检测的准确信，充分发挥 ERD/ERS 系数的定量性的特点，并在此基础上研究了左右脑均活动时的强烈程度。 本文结论对不同性别针对不同情感的情感识别有一定参考价值。

　　参考文献

　　[1]EIMER MARTIN,HOLMES AMANDA. An ERP studyon the time course of emotional face processing. [J].NeuroReport,2002,13（4）：1-5.

　　[2]EIMER M,HOLMES A. Event-related brain potentialcorrelates of emotional face processing[J]. Neuropsy-chologia,2007,45（1）：15-31.

　　[3]ZOURIDAKIS G,PATIDAR U,PADHYE N S,et al.Spectral power of brain activity associated with emotion-apilot MEG study[C]/ /17th International Conference OnBiomagnetism Advances in Biomagnetism-BIOMAG2010,IFMBE Proceedings. Dubrovnik,Croatia:Springer,2010:354-357.