本文描述了如何使用小波熵指数来分析高密度脑电图(EEG)和心电图(ECG)数据。我们发现,在基于正念的减压训练过程中,大脑和心脏活动的不规则性变得更加协调。
本文描述了如何使用小波熵指数来分析高密度脑电图(EEG)和心电图(ECG)数据。我们发现,在基于正念的减压训练过程中,大脑和心脏活动的不规则性变得更加协调。
在东方和西方,传统教义均认为心与脑在某种程度上密切相关,尤其是在进行精神修习时。要客观证明这一点存在一个困难,即大脑活动与心脏活动的本质截然不同。本文提出一种方法,利用小波熵来测量脑电图(EEG)和心电图(ECG)数据的混沌水平,并展示如何利用该方法探索在不同实验条件下心与脑之间可能存在的协调关系。此外,采用统计参数映射(Statistical Parametric Mapping, SPM)来识别在实验条件下脑电小波熵变化最显著的脑区。作为示例,我们在为期8周的标准正念减压(Mindfulness-based Stress Reduction, MBSR)训练课程开始前(前测)和课程结束后(后测),分别在两种不同条件下(正常静息和正念呼吸)记录了受试者的脑电图和心电图。使用所提出的方法,结果一致显示,在MBSR正念呼吸状态下,大脑脑电图的小波熵较闭眼静息状态有所降低。同样,在MBSR正念呼吸期间,心率的小波熵也较低。然而,在前测与后测之间,MBSR正念呼吸期间的小波熵未发现差异。所有参与者在正常静息状态下,脑电波熵与心率熵之间均未观察到相关性,而在MBSR正念呼吸期间则观察到显著相关性。此外,相关性最强的脑区主要位于大脑中央区域。本研究提供了一种方法学基础,用以建立证据,表明正念练习(即正念呼吸)可能增强心与脑活动之间的协调性。
随着神经科学和医学的进步1,我们已处于更有利的位置来理解正念和冥想对心理与生理疾病带来的非药物性益处。大量研究表明,基于正念的减压训练(Mindfulness-based Stress Reduction, MBSR)作为一种心理锻炼,能够主动减少身心不必要的压力2。在冥想练习过程中,身体与心智可能变得更加协调同步。这些问题已引起学术界和公众的广泛关注,并促使我们设计一种方法学,用以探索在不同条件下心智与身体(或更具体地说,大脑与心脏)之间潜在的协调关系,从而评估MBSR训练与实践的效果。
在传统的脑电图(EEG)谱分析中,脑电图信号的不规则性通常被视为噪声,但它可能包含有用信息,并可通过信号熵进行量化。脑电图熵已被用作癫痫、阿尔茨海默病和麻醉等临床状况的指标,一些证据表明,脑电图熵可能是比传统脑电图谱分析更敏感的大脑状态监测指标3,4。熵在热力学中长期被用作描述系统混乱状态的指标。脑电图所记录的脑电波因其神经网络在有序与混沌之间运行而表现出动态活动特征5。在多种熵的计算方法中,小波熵提供了一种在不同观测尺度下计算能量熵的方法,特别适用于分析在不同尺度下特征高度变化的脑电图信号。对于一个完全随机的信号,其在不同分辨率水平上的相对能量将相同,此时熵达到最大值。因此,小波熵可作为脑电图中混沌活动程度的度量,并可用作区分不同意识状态的指标6。
既往心电图(ECG)研究一致表明,与冥想前状态相比,冥想会引起心率变异性发生改变7。心跳由自主神经系统(包括交感神经和副交感神经系统)调节。自主神经张力受到神经节、窦房结、迷走神经以及延髓、岛叶和边缘系统等高级脑结构之间相互作用的调节。这些结构构成一个层级系统,其非线性活动可通过熵进行测量8。例如,高级脑结构中的神经放电可影响心率节律9。在临床条件下,癫痫发作等脑部疾病会扰乱心律10。神经心脏病学研究也提示心脏与大脑之间存在密切的相互作用11。
研究脑信号与心信号关联性的一个难点在于,它们在信号内容和时间尺度上存在显著差异。因此,一个主要挑战是找到一种共同的度量方法,这种方法不仅适用于脑和心的信号,而且在身心协调的背景下具有可解释的意义。本文提出使用小波熵,通过关联脑电图(EEG)与心跳信号的熵值,来检测脑与心脏活动不规则性之间可能存在的协调关系,并可通过正念减压疗法(MBSR)实验对结果进行评估。
由于正念减压疗法(MBSR)涉及身心两方面的正念练习,我们假设MBSR中的正念呼吸练习可能不仅影响大脑活动,还可能影响心跳。以往的研究主要分别从不同角度探讨了正念训练和/或练习对大脑或心脏的影响;而这两个密切相关系统之间的同步变化在很大程度上仍未被探索。仅有少数研究报道了正念训练后身心协调性的改善12。通过所提出的方法、代表性结果以及一项先前的研究13表明,MBSR正念训练可能增强身心在混沌活动方面的协调性,这可能为正念训练对中枢神经系统和周围神经系统的影响提供新的见解。
本研究已获得香港大学机构审查委员会批准。所有参与者在参加本研究前均签署了书面知情同意书。
1. 实验设计

表1. 正念减压课程概述。 参与者所接受的为期8周的正念减压训练课程。
2. 脑电图与心电图数据采集
注意:脑电图(EEG)数据采集遵循标准流程,类似于先前描述的方法14。要求每位受试者在前往实验地点前清洗头发和头皮。向受试者说明实验流程,主要包括其将在 EEG 和 ECG 设备记录下正常休息 10 分钟,随后进行 10 分钟正念呼吸练习。
3. 脑电图和心电图数据分析
注意:前四个步骤用于数据预处理,其余步骤用于小波熵计算和相关性分析。此处使用了一款名为 EEGLAB16 的开源软件进行脑电图(EEG)分析,但不同软件之间的操作应大致相似。以下将以基于 EEGLAB 的操作为例进行说明。详情请参考 EEGLAB 手册(https://sccn.ucsd.edu/wiki/EEGLAB_Wiki#EEGLAB_Tutorial)。
,计算小波系数如下
,其中
是Haar小波族的正交归一基,并且
表示分解水平(N = 10 本研究中)。
,与
.
对所有通道的小波熵取平均值,以获得每位参与者脑电图(EEG)的小波熵。光谱分析
在脑电图(EEG)数据的频谱分析中,与正常静息状态相比,正念减压训练(MBSR)中的正念呼吸阶段表现出增强的α波(8 - 12 Hz)和β波(12 - 30 Hz),以及减弱的δ波(1 - 4 Hz)。α波的增强在全脑范围内具有显著性,尤其在额叶和枕叶区域;而β波的增强主要出现在额叶。中央-顶叶区域则观察到δ波的减弱(图1)。然而,我们未发现MBSR训练前后存在显著差异。

图1. MBSR正念呼吸与正常静息状态的频谱分析。频谱分析显示,MBSR练习可改变脑部活动,这体现在脑电图(EEG)的不同频谱上。原始来源:参考文献13。请点击此处查看该图的放大版本。
图2展示了定义的兴趣区域:枕叶(通道N19 - 21、N41 - 46、N67 - 72、N96 - 100以及N119)、中额叶(通道N53 - 61和N79 - 83)以及中顶叶(通道N48 - 50、N64 - 66和N74 - 76)。表2列出了在MBSR正念呼吸和正常静息条件下各频谱的功率和熵值,以及针对每个兴趣区域两种条件之间差异的t检验的p值。由于MBSR训练前后两个阶段之间无显著差异,我们将这两个阶段的脑电图数据进行了合并。

图2. 定义的兴趣区域。代表额中回、顶中回和枕叶的脑电图通道的定义区域。请点击此处查看此图的放大版本。
| Delta | Theta | 阿尔法 | β | 伽马 | 熵 | ||
| 额中回 | 正念减压疗法 | 18.96 ± 3.10 | 22.29 ± 5.86 | 30.90 ± 7.76 | 0.12 ± 43.77 | -467.25 ± 79.48 | 0.753 ± 0.060 |
| 休息 | 22.40 ± 6.56 | 22.76 ± 5.98 | 26.91 ± 7.14 | -7.11 ± 42.27 | -449.76 ± 102.92 | 0.785 ± 0.066 | |
| p值 | 0.0243 | 0.6555 | 0.0085 | 0.0114 | 0.4419 | 0.0084 | |
| 枕叶 | 正念减压疗法 | 15.39 ± 3.30 | 17.91 ± 6.53 | 33.38 ± 6.50 | -8.03 ± 40.72 | -466.23 ± 61.46 | 0.719 ± 0.048 |
| 休息 | 19.82 ± 6.32 | 20.38 ± 8.11 | 29.73 ± 5.30 | -11.62 ± 40.22 | -439.03 ± 102.81 | 0.763 ± 0.055 | |
| p值 | 0.0134 | 0.1213 | 0.0125 | 0.0796 | 0.8936 | 0.0098 | |
| 顶叶 | 正念减压疗法 | 17.95 ± 3.60 | 19.46 ± 6.54 | 32.84 ± 6.68 | 2.68 ± 38.23 | -487.72 ± 104.13 | 0.738 ± 0.072 |
| 休息 | 21.24 ± 6.37 | 21.16 ± 8.00 | 29.79 ± 6.60 | -1.27 ± 34.42 | -490.01 ± 123.83 | 0.764 ± 0.075 | |
| p值 | 0.0157 | 0.0963 | 0.0177 | 0.1507 | 0.2878 | 0.0368 |
表2. 不同脑区的频谱与熵值比较。 在三个预定义的兴趣区域(ROI)中,对比正念呼吸(MBSR)与正常静息状态下的频谱与熵值。
小波熵分析
对脑电图的小波熵分析显示,在MBSR正念呼吸期间,与正常静息状态相比,MBSR训练前和训练后阶段的脑电图熵均有所降低。由于这两个阶段之间无显著差异,因此将它们合并以生成平均图谱(见图3第三行所示)。熵值降低的主要区域位于额叶以及顶枕叶区域。

图3. 小波熵分析。 Rest 1 和 MBSR 1 表示MBSR训练前状态,而 Rest 2 和 MBSR 2 表示MBSR训练后状态。小波熵分析表明,MBSR练习可降低脑电活动的不规则性。原始来源:参考文献13。 请点击此处查看该图的放大版本。
小波熵的源分析
通过对脑电(EEG)信号进行源分析,可将头皮记录的EEG信号反卷积为大脑皮层表面的电活动,从而提高空间分辨率20。分析结果显示,正念减压训练(MBSR)主要影响的脑区位于左侧中枕叶、楔前叶、上颞叶以及左侧梭状回(图4)。在表3中,针对源分析获得的四个解剖学标记区域,我们提供了MBSR正念状态与正常静息状态之间熵值差异的t检验结果。

图4. 源分析。 源分析显示,在MBSR正念呼吸状态下,大脑多个区域(以红色突出显示)的熵值降低。请点击此处查看该图的放大版本。
| 解剖标签 | 体素 | x, y, z | t 值 |
| 左侧颞中回 | 1,728 | -44 -60 16 | 3.77 |
| 右侧楔前叶 | 1,324 | 2 -56 28 | 3.63 |
| 左侧枕叶 | 749 | -2 -102 -12 | 3.61 |
| 左侧梭状回 | 142 | -102 | 3.51 |
表3. 源分析报告。 在正念呼吸减压法(MBSR)与正常静息条件下,脑熵存在显著差异的脑区解剖位置。L,脑的左侧;R,脑的右侧(p < 0.001,t-检验,未经校正)。
心率小波熵
分析结果显示,平均心率在MBSR正念呼吸期间无显著差异,但MBSR训练前后的心率熵均较低(表4)。
| 静息1 | 正念减压训练1 | 静息2 | 正念减压训练2 | |
| 心率(次/分钟) | 68.2 ± 9.5 | 67.7 ± 9.3 | 71.8 ± 8.1 | 70.7 ± 8.4 |
| 心率小波熵 | 0.89 ± 0.05 | 0.79 ± 0.11* | 0.89 ± 0.07 | 0.80 ± 0.12# |
表4. MBSR正念呼吸与正常静息状态下的心率及心率小波熵。 在MBSR训练前后两个时间点对两种状态进行比较。*静息1与MBSR1之间差异显著(p <0.05)。#静息2与MBSR2之间差异显著(p <0.05)。
心脏与大脑活动之间的相关性
鉴于大脑与心脏之间可能存在的关联,我们分析了全脑脑电图熵(即 单个受试者所有脑电通道的脑电熵平均值)与MBSR正念呼吸和正常静息状态下的心率熵。在MBSR正念呼吸期间,大脑与心脏的熵值呈显著相关,而在正常静息状态下则无此相关性。如上图所示 图5脑中央区域各通道脑电图熵与心率熵之间的相关性最为显著。下图显示了中央区域脑电图熵(与心率熵显著相关的虚线通道的平均值)与心率熵之间的相关性。

图5. 心脏与大脑电活动的小波熵之间的相关性。 大脑活动的小波熵为右上图所示中央区域显著通道的平均值。心脏的小波熵基于心率间期。下图所示的相关性是针对所有受试者在MBSR训练前和训练后的结果进行计算的。原始来源:参考文献 13。 请点击此处查看该图的放大版本。
该脑电图研究提供了确凿证据,表明与正常休息相比,正念减压疗法(MBSR)中的正念呼吸可增强额叶和枕叶的α波。这与大多数关于冥想期间α波增加的报道一致,尤其是在初学者中21。α波通常表示一种觉醒、警觉且不专注于特定任务的状态。这种心理状态正是冥想的目标之一,即保持头脑清晰敏锐,既不受幻想干扰,也不陷入昏沉。在MBSR练习期间增强的α波同步性,可能也有助于提升身心协调性22。
大脑中大量神经元的电活动构成一个非线性层次系统,其不规则性可通过熵进行良好度量8我们发现,在正念减压训练(MBSR)练习过程中,大脑电活动的不规则性在大部分头皮脑电图(EEG)区域降低,尤其在额极和双侧枕叶区域更为显著。进一步对小波熵进行源分析显示,MBSR练习期间枕叶和楔前叶活动的不规则性有所下降。其他相关脑区还包括右侧中扣带回和上颞叶。这一结果与另一项研究一致,该研究表明经过MBSR训练后,楔前叶的灰质体积增加。23高级冥想练习者在非快速眼动睡眠期间通常具有较高的顶枕区脑电图伽马波1正念减压训练(MBSR)的一个重要特征是对大脑信息流保持非评判性的态度。这可能有助于降低大脑活动的不规则性。由于大脑的主要信息来源之一是视觉皮层,因此与视觉相关的大脑区域相较于其他区域可能受到MBSR练习更显著的影响。这使得心智对无关信息的反应减弱,从而能够更加专注于正念呼吸。
小波熵分析显示,在正念呼吸期间,心率的不规则性较正常静息状态有所降低,表明由于副交感与交感神经张力之间相对稳定的相互作用,自主神经系统的平衡更为精细。正念呼吸还可能通过肺部感觉传入神经向中脑的心迷走运动神经元发出抑制性投射,进而通过迷走神经抑制心率,从而影响心率24。心肺相互作用由脑干和大脑中的边缘系统介导25。鉴于中枢神经系统与心脏活动之间的联系,通过训练心智,正念减压疗法(MBSR)或其他冥想练习也可能影响其他身体功能,例如重置压力感受器反射敏感性、提高肺部气体交换效率,以及调节自主神经系统的平衡26。
许多东方传统都强调身心之间的联系。在这方面,我们的研究首次从熵的角度提供了客观证据。在正念减压训练(MBSR)练习期间,大脑和心脏活动的不规则性变得更加协调,且这种协调性在双侧躯体感觉区域最为显著。该区域直接负责身体的感觉输入和运动控制,这种增强的协调性表明在MBSR练习过程中身体觉察力有所提升。已有功能性磁共振成像(fMRI)研究发现,正念训练可增强内脏-躯体区域的活动,而fMRI的空间分辨率优于脑电图(EEG)27。我们的结果提示,在MBSR练习期间,大脑与心脏的活动可能变得更加同步,从而减少了系统中不必要的熵28。由于心跳由自主神经系统调节,而自主神经张力受到神经节、窦房结、迷走神经以及延髓、岛叶和边缘系统等高级脑结构之间相互作用的调控,因此在MBSR练习过程中,自主神经系统与中枢神经系统可能变得更加协调。
在我们这类研究中,一个重要的步骤是选择合适的熵指数来测量脑电图(EEG)和心电图(ECG)的不规则性。与 Renu Madhavi et al. 使用近似熵29不同,我们选择使用小波熵,以关注不同尺度下能量分布的复杂性。由于大脑电活动源自大量在不同尺度和频谱中具有不同特性的神经元,因此小波熵应更适合用于测量 EEG 的不规则性30。同样,瞬时心率在不同时间尺度下也表现出不同的特征,因此将小波熵应用于 ECG 是合理的31。此外,香农熵和近似熵对采样频率较为敏感,而近似熵的计算耗时较长,且随数据长度呈指数增长,这还不包括在源空间中的计算开销。
本研究存在若干局限性,值得指出。首先,尽管头皮脑电图(EEG)具有较高的时间分辨率,但其空间分辨率相对较低。为解决这一问题,本研究采用了源分析方法。脑电图源重建是一个病态问题,一种替代方法是利用既往功能性磁共振成像(fMRI)研究提供的空间先验信息,这有助于提高重建的准确性32,33。另一个局限性在于,脑与心脏活动之间的协调性是在被试间进行评估的,而个体内协调性有待未来研究进一步探讨。此外,心电图(ECG)的熵并非直接从ECG信号中提取,而是来源于心率间期,因为ECG信号的幅度易受电极位置和皮肤阻抗的显著影响,因此在不同被试之间不具备可比性。
以往的研究通常对脑电(EEG)信号进行频谱分析,将EEG中的不规则性视为噪声而忽略。相比之下,我们提出使用小波熵作为更敏感的指标,以衡量大脑混乱的电活动,从而反映心理状态。该方法为传统假设提供了客观证据,即在冥想过程中,大脑与心脏的协调性更强。
由于小波熵能够较为敏感地监测冥想状态,因此它可能被应用于心理训练领域,正如熵在临床实践中被用于测量手术期间的麻醉水平一样。利用类似于小波熵的指标,无线脑电图(EEG)设备可方便地用于监测个体日常的冥想练习或其他用于教育目的的心理训练。然而,由于无线脑电图通常只能稳定地测量前额区域的通道信号,我们需要探讨这些通道是否足够敏感,以有效监测心理状态。
该实验的关键步骤包括:保持每个电极的皮肤阻抗较低,以获得更好的信号质量和更少的噪声;正确且恰当地实施正念减压训练(MBSR);确保实验前处于良好且非疲劳的精神状态,因为冥想需要消耗大量精力;选择合适的熵指数(小波熵);以及熟悉脑电数据的SPM源分析方法。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本研究由香港大学 SPF-201209176152 基金资助。感谢马海伦博士讲授课程并招募正念减压疗法(MBSR)参与者。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Synamps 2/RT 128通道脑电图/诱发电位/事件相关电位系统 | Compumedics NeuroScan | 型号 8050 | 放大器及 脑电数据采集 |
| Quik-CapEEG 128导电极帽 | Compumedics NeuroScan | 脑电电极帽 | |
| Quik-Gel | Compumedics NeuroScan | 导电电极凝胶 | |
| EEGLAB | 斯沃茨计算神经科学中心 | 脑电分析软件 | |
| Matlab R2011a | MathWorks | EEGLAB 基于 Matlab 平台 | |
| SPM | 惠康信托神经影像中心 | 脑电源分析软件 |