基于EEG与fMRI的光诱发睡眠响应特性研究

本项目通过EEG和fMRI同步测量技术，研究基于θ频率光诱发睡眠机制响应机理。主要研究技术是利用EEG研究由θ频率外部光刺激引起的脑电θ、δ波的变化规律，同时利用fMRI研究睡眠相关的脑区，如丘脑束、视交叉上核(SCN)、脑干中缝核、孤束核、蓝斑等是否被光诱发激活，即从EEG测量脑电信号与fMRI测量血氧水平依赖信号相结合分析睡眠诱发机理，最后通过研究θ频率外部光刺激引起的脑电θ、δ波的变化与fMRI测量的睡眠机制响应的血氧水平依赖信号的互相关性，给出综合的睡眠评估模型，以此评价外部不同颜色光诱发睡眠机制响应的效果，为外部光刺激改善睡眠提供实验依据。

睡眠是一种复杂的生理过程，正常成人睡眠时的脑电图变化规律相对稳定，睡眠障碍则会引起大脑兴奋和抑制的正常节律紊乱，从而引起脑电图的特点和模式的改变。相关研究表明通过外部物理刺激可人为的改变大脑皮层的电位活动，本项目采用 频率光模拟脑电节律诱发睡眠机制响应，利用脑电图与功能磁共振技术，寻找相应的睡眠响应和激发区域，根据个体差异建立相应的诱发模型（刺激光颜色及频率），获得低频率光诱发脑电同步响应的最佳诱发因子，并提供一种方便、舒适有助于睡眠的辅助仪器。.项目采用4-7Hz的θ频率光做诱发睡眠实验，分别采集光诱发下的脑电数据、功能磁共振数据、以及脑电和磁共振同步数据，并对数据进行处理和分析。在对不同颜色光刺激下的脑电信号进行分期的基础上，进行光刺激诱发脑电同步响应的研究，建立诱发大脑皮层脑电信号提取和分析的算法体系，开发基于脑电的睡眠机制响应模型；基于磁共振数据进行光诱发脑部激活区的定位和分析，研究不同刺激和响应程度、不同刺激和响应位置之间的关系，建立刺激和响应之间的数学模型，并通过脑功能网络构建技术研究光诱发过程传输通道；基于脑电和磁共振同步采集信号，进行脑功能激活区和脑电相关区域的关联性研究，建立基于脑电和磁共振的诱发睡眠机制响应的比对微调系统，实现针对个体差异的频率光刺激诱发睡眠机制响应模型。研究结果表明：光刺激可以诱发脑电同步响应，大多数人对5HZ红光刺激有更高的敏感性，但存在个体差异；在θ频率光刺激下，从觉醒到深睡眠的过程中, 脑电信号的频率变化非常明显, 首先α波逐渐消失,θ波及δ波逐渐增强，尤其在浅睡期低幅θ波大量增加，但在不同脑区上对θ波能量的影响不同，在前额、中央额、中央和顶部等区域有更显著增高；光诱发的脑功能网络均具有小世界和无标度特性，光刺激状态信息传输主要枢纽在岛叶、后扣带回功能区，丘脑、海马两处功能网络有较大聚合能力，光诱发过程是从额上回经颞中回传输到枕中回；光刺激下大脑从清醒到嗜睡阶段，海马、后扣带回等功能区综合作用诱发的大脑皮层的脑电波的变化与影像激活区血氧水平依赖信号有高度相关性。项目的研究成果可以为改善人的睡眠和缓解紧张情绪等提供科学依据和理论指导，相关的产品可以针对个体差异进行光刺激模式的调节，并通过脑电和功能磁共振联合对睡眠响应机制进行评估，具有极大的现实意义和应用价值。