基于腦電信號分析的正確記憶與錯誤記憶的差異性

張峻瑜, 李穎，*, 張志謀, 楊碩，, 尹寧，

(1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院， 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室， 天津 300130； 2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院， 天津市生物電工與智能健康重點實驗室， 天津 300130)

在人腦的各種復(fù)雜認(rèn)知活動中造成諸多差異的核心因素就是工作記憶，工作記憶與我們的生活息息相關(guān)，工作記憶可以分為正確記憶和錯誤記憶。正確的工作記憶能夠使我們短時間內(nèi)清楚準(zhǔn)確的記得所發(fā)生的事件。而相對于正確記憶，錯誤記憶就是隨著時間的延長，工作記憶因記憶漏報而出錯[1-2]。研究正確記憶與錯誤記憶的差異性，可以了解不同記憶對人類認(rèn)知加工影響的區(qū)別，能夠為日常生活中發(fā)生的錯誤記憶加工提供解釋和抑制方法，可以建立針對性的學(xué)習(xí)和記憶策略，更好的提高正確記憶概率。深刻認(rèn)識正確記憶與錯誤記憶的活動差異及產(chǎn)生機制，將會使得人們對工作記憶的本質(zhì)探索更近一步[3]。理清正確記憶與錯誤記憶差異性的內(nèi)在機制可以更好的為提高人類正確記憶能力，避免過多的錯誤記憶提供幫助，也可以為改善記憶障礙患者得到更有效的解決方案。因此，研究錯誤記憶的產(chǎn)生機制，避免錯誤記憶的產(chǎn)生就變得尤為重要。

研究表明，錯誤記憶和正確記憶在某些特定腦區(qū)存在特異性活動。功能磁共振成像的研究發(fā)現(xiàn)正確記憶額葉部分區(qū)域、海馬旁回等區(qū)域活動量顯著大于錯誤記憶[4]。研究發(fā)現(xiàn)在額葉、頂葉以及視覺皮層等多個大腦區(qū)域正確記憶的活動量顯著大于錯誤記憶，而在顳葉以及前額葉，現(xiàn)象卻相反[5]。Webb等[6]研究發(fā)現(xiàn)，無論是年輕人還是老年人，顳葉、額葉、頂葉皮層的神經(jīng)活動量在正確記憶與錯誤記憶中表現(xiàn)出明顯不同。研究表明，與正確記憶相關(guān)活動相比，錯誤記憶活動在前額葉皮層增加更明顯，功能神經(jīng)成像發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)顳葉前后部存在區(qū)分真實和錯誤記憶的表現(xiàn)差異，神經(jīng)學(xué)的研究結(jié)果表明錯誤記憶與海馬和幾個皮層區(qū)域相關(guān)[7]。以上研究均證明了正確記憶和錯誤記憶的明顯差異不但表現(xiàn)在行為結(jié)果上，而且差異性也表現(xiàn)在大腦特定區(qū)域的活動機制上。

腦電信號活動與腦區(qū)域、腦狀態(tài)有著密切的關(guān)系，是了解人腦信息處理過程的一種極為重要的形式，對腦電信號進行研究可以了解人腦活動機制、認(rèn)知過程等與記憶密切相關(guān)的問題[8-9]。Miller等[10]在事件相關(guān)電位(event related potential，ERP)技術(shù)的研究中，通過嚴(yán)格分析事件相關(guān)可能性的P300成分，發(fā)現(xiàn)正確再認(rèn)和錯誤再認(rèn)沒有差別。對于正確記憶與錯誤記憶的區(qū)別，研究者們在不同的領(lǐng)域用了很多指標(biāo)來進行區(qū)分，尤其是落實到腦區(qū)區(qū)分上的研究眾多，當(dāng)前中外學(xué)者對于正確記憶與錯誤記憶腦電信號差異性在時域研究上是比較多的[11]。關(guān)于頻域波差異性的研究較少，進一步研究正確記憶與錯誤記憶各頻段差異性對更好的識別記憶、提高正確記憶概率、降低錯誤記憶發(fā)生率及腦認(rèn)知機制都具有鮮明指導(dǎo)意義。

為徹底明確正確記憶與錯誤記憶腦電信號在時、頻、空域等差異以及工作記憶腦區(qū)協(xié)作機制等差異，通過采集被試工作記憶任務(wù)的頭皮腦電信號，將不同頻帶下正確記憶與錯誤記憶的腦電信號在時頻域中進行差異分析?；诓町愵l段信號，利用皮爾遜相關(guān)方法構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)來分析正確記憶與錯誤記憶的腦網(wǎng)絡(luò)連接差異，進而更好的區(qū)分正確記憶與錯誤記憶。

1 材料和方法

1.1 材料

對錯誤記憶的研究通常采用以美國心理學(xué)家詹姆斯·迪斯(James Deese)、亨利·羅迪格(Henry Roediger)和凱瑟琳·麥克德莫特(Kathleen Mc-Dermott)三位心理家的名字共同命名的集中聯(lián)想程序(Deese-Roediger-Mc-Dermott，DRM)記憶實驗范式，它是通過對Deese的研究進行拓展，將學(xué)習(xí)→自由回憶擴展為學(xué)習(xí)→回憶→再認(rèn)而提出來的[12]。DRM范式是通過向被試呈現(xiàn)一系列與關(guān)鍵誘餌相關(guān)聯(lián)的詞匯來考察被試對關(guān)鍵誘餌的記憶情況，是目前對錯誤記憶研究的經(jīng)典范式。本實驗在此基礎(chǔ)上將DRM詞表進行了調(diào)整，作為實驗的刺激材料。

1.1.1 實驗設(shè)備

利用美國NeuroScan公司生產(chǎn)的腦電實驗記錄儀，實驗刺激任務(wù)采用E-Prime3.0軟件在電腦上完成。實驗中采用Curry8軟件完成對被試的腦電采集任務(wù)。整套腦電設(shè)備具有多個放大器協(xié)調(diào)同步功能，使得腦電信號能被實時準(zhǔn)確記錄下來。本實驗通過了河北工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)倫理委員會的審查，文號為HEBUThMEC2020006。

根據(jù)國際腦電圖學(xué)會制定的10-20電極導(dǎo)聯(lián)定位標(biāo)準(zhǔn)，采用64導(dǎo)電極帽采集腦電信號，信號采集頻率為1 000 Hz，電極與頭皮阻抗不高于5 kΩ。另外該電極帽提供了人腦左側(cè)垂直眼電通道和雙側(cè)水平眼電通道。

1.1.2 實驗對象

招募14名身體健康的在校大學(xué)生為被試，其中男生與女生數(shù)量相同各有7名，均為右利手，年齡20～25歲，視力正?；虺C正后視力正常，無抑郁傾向。被試實驗過程中無任何不適反應(yīng)。被試正式實驗前需完成預(yù)實驗，知曉整個實驗流程，實驗環(huán)境安靜無擾。

1.1.3 刺激材料

實驗中所采用的DRM詞表是從Stadler等[13]編制的詞表中選擇的，并參照曾使用的中文詞表進行調(diào)整[14]，最終確認(rèn)學(xué)習(xí)詞共144個詞語，所有學(xué)習(xí)詞均為中文雙字詞。測試詞共呈現(xiàn)詞匯72個，測試詞中包括已學(xué)習(xí)詞(舊詞)、未學(xué)習(xí)詞(新詞)兩部分，每部分各有36詞。

1.1.4 實驗流程

實驗開始被試先安靜狀態(tài)3分鐘，然后呈現(xiàn)學(xué)習(xí)指導(dǎo)語，學(xué)習(xí)階段開始。學(xué)習(xí)詞開始隨機出現(xiàn)，每個詞呈現(xiàn)1 s，接著是0.5 s的黑屏，然后呈現(xiàn)下一個詞，每呈現(xiàn)12個詞，會出現(xiàn)一個“+”號，提示下一組詞將會呈現(xiàn)，直到12組詞呈現(xiàn)完畢。接著被試會有3分鐘休息時間，然后呈現(xiàn)測驗指導(dǎo)語，測試階段開始。測試詞開始隨機出現(xiàn)，每個詞呈現(xiàn)2 s，被試在此過程中進行判斷，若認(rèn)為是出現(xiàn)過的詞則按“F”鍵，反之按“J”鍵，接著是0.5 s的黑屏，然后呈現(xiàn)下一個詞，如此重復(fù)，直到72個測試詞全部呈現(xiàn)完畢，最后提示實驗結(jié)束。在整個過程中采集腦電信號和行為學(xué)數(shù)據(jù)。實驗流程如圖1所示。

圖1 工作記憶任務(wù)示意圖

1.1.5 記憶類型的判定

關(guān)于正確記憶與錯誤記憶的認(rèn)定，若被試在測試時將學(xué)習(xí)過的詞語判斷為舊詞，則為正確記憶；若被試在測試時將學(xué)習(xí)過的詞語判斷為新詞，則為錯誤記憶。其中，正確率=正確判斷舊詞個數(shù)/舊詞總數(shù)；錯誤率=錯誤判斷舊詞個數(shù)/舊詞總數(shù)。

1.2 方法

1.2.1 行為學(xué)數(shù)據(jù)分析

行為學(xué)數(shù)據(jù)包括對正確記憶和錯誤記憶的統(tǒng)計分析以及反應(yīng)時間等信息，使得正確記憶與錯誤記憶的差異現(xiàn)象能夠在行為結(jié)果上更全面直觀的反應(yīng)出來，與腦電數(shù)據(jù)結(jié)合將對問題的解決具有重大意義。

在進行DRM范式實驗的同時，可使用E-Prime3.0軟件同步記錄被試的行為學(xué)數(shù)據(jù)，得到被試在自然狀態(tài)下的正確率和錯誤率。進一步，可對行為數(shù)據(jù)使用配對樣本T檢驗，將正確記憶反應(yīng)時間與錯誤記憶反應(yīng)時間成對比較。本文采用的檢驗水準(zhǔn)為0.05。

1.2.2 腦電信號預(yù)處理

腦電信號容易受到外界干擾，所以進行腦電信號預(yù)處理是非常必要的。具體步驟如下。

步驟1首先預(yù)覽信號，刪除肉眼可見大幅度數(shù)據(jù)漂移波動。

步驟2去除壞電極，本實驗電極均完好。

步驟3選擇重參考，將單電極參考轉(zhuǎn)換為全頭平均參考進行分析。

步驟4基線校正，去除自發(fā)腦電產(chǎn)生的噪聲。

步驟5數(shù)字濾波，將腦電數(shù)據(jù)的0.5～80 Hz進行帶通濾波處理。

步驟6去除眼電偽跡。

步驟7腦電信號分段，設(shè)置0時刻為刺激開始時刻，將刺激前100 ms到后900 ms時間段疊加平均處理。

1.2.3 腦電信號時頻分析方法

短時傅里葉變換(short time fourier transform，STFT)[15]是在時頻域處理信號常用的一種方法，通過將腦電信號進行短時的分段可以作平穩(wěn)信號處理。采用短時傅里葉變換這種方法可以更全面的分析各腦區(qū)的時頻特征，更全面的比較信號之間的差異性問題。

短時傅里葉變換的定義為

(1)

將式(1)取平方，可得信號譜圖為

(2)

將預(yù)處理后的1 000 ms腦電信號選用Hann濾波器濾出各頻段的腦電信號，通過式(1)、式(2)可計算出各頻段信號能量譜圖。這樣可以分別算出各頻段全部電極的能量譜值，進而可以通過計算出各腦區(qū)的平均能量譜及能量來進行差異分析。

1.2.4 腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

腦功能網(wǎng)絡(luò)對大腦認(rèn)知等研究具有重大意義，隨著大腦認(rèn)知活動的變化，腦功能網(wǎng)絡(luò)也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化[16]。通過構(gòu)建不同頻段的腦功能網(wǎng)絡(luò)，分析大腦不同頻段認(rèn)知活動對正確記憶與錯誤記憶機制運行原理的研究具有重要意義。

(1)節(jié)點定義：本實驗將全部頭皮電極作為腦功能網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)節(jié)點。

(2)邊的定義：采用皮爾遜相關(guān)算法將頭皮電極腦電信號值之間的相互聯(lián)系作為腦功能網(wǎng)絡(luò)的邊。通過計算兩兩節(jié)點間腦電信號的相關(guān)程度，建立64×64的關(guān)聯(lián)矩陣R。皮爾遜相關(guān)算法是一種計算兩直線相關(guān)性的算法[17]，假設(shè)兩個離散的隨機變量x、y，這兩個變量間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)被定義為兩個變量之間的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差的商，則這兩個變量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式為

(3)

相關(guān)系數(shù)變化范圍為-1～1，當(dāng)|r|越接近于1時表示變量x和y高度線性相關(guān)；|r|=1時表示變量x和y完全線性相關(guān)；|r|=0時表示變量x和y線性不相關(guān)。

(3)閾值選?。簩⒁烟幚淼母黝l段腦電信號分別計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣，根據(jù)不同的波段選定合適的閾值，構(gòu)建二值連接矩陣，進而構(gòu)建分頻腦功能網(wǎng)絡(luò)。

1.2.5 腦網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)

屬性參數(shù)是腦網(wǎng)絡(luò)分析的重要依據(jù)。分析比較正確記憶與錯誤記憶不同頻帶的節(jié)點度、介數(shù)中心度、聚類系數(shù)等屬性參數(shù)上的差異。

(1)節(jié)點度：某一節(jié)點的度是描述節(jié)點中心性的測度，是指與該節(jié)點直接相連的節(jié)點的數(shù)目，節(jié)點度值越大，表示與該節(jié)點連接的節(jié)點越多，表明該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的作用越大。

(2)聚類系數(shù)：聚類系數(shù)是衡量網(wǎng)絡(luò)集團化程度的一個重要特征參數(shù)，節(jié)點的聚集情況可以反映網(wǎng)絡(luò)集團化程度的高低。

(3)介數(shù)中心度：介數(shù)中心度反映了相應(yīng)節(jié)點或連接邊在整個網(wǎng)絡(luò)中的影響力，介數(shù)中心度越高，表示在網(wǎng)絡(luò)中的中央化程度越高，作用越大。

2 結(jié)果

2.1 行為學(xué)數(shù)據(jù)分析

使用統(tǒng)計軟件SPSS22.0對行為學(xué)數(shù)據(jù)匯總，得到如下結(jié)果：正確率為71.8%，平均反應(yīng)時長是961.56 ms；錯誤率為28.2%，平均反應(yīng)時長是1 097.99 ms。正確記憶與錯誤記憶反應(yīng)時長的配對T檢驗對比中可以看出錯誤記憶反應(yīng)時明顯長很多(P<0.05)，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2.2 腦電能量譜分析

2.2.1 不同腦區(qū)能量譜分析比較

為了對腦區(qū)的空間聯(lián)系進行分析，將大腦全部頭皮電極劃分為前額區(qū)、后額區(qū)、前頂區(qū)、后頂區(qū)、顳區(qū)、枕區(qū)6個腦區(qū)進行討論，如圖2所示。

各字母加數(shù)字尾標(biāo)表示大腦各腦區(qū)64導(dǎo)電極名稱，各電極名稱以該腦區(qū)英文名稱的首字母縮寫進行命名，如額、顳、頂、枕分別以F、T、P、O命名，腦部中線電極以英文字母Z結(jié)尾，左右半球以數(shù)字奇、偶進行區(qū)分，耳電極M1、M2作為參考電極

通常腦電波按照頻率可分為δ、θ、α、β、γ頻段，將完整的腦電信號劃分為以下幾個頻段進行研究，分別為δ波(0.5～3 Hz)、θ波(3～8 Hz)、α1波(8～10 Hz)、α2波(10～12 Hz)、β波(12～30 Hz)和γ波(30～80 Hz)[18]。大量的研究表明不同頻段的腦電波與不同的腦認(rèn)知功能存在重要關(guān)聯(lián)，且不同腦區(qū)間影響及參與程度也有很大不同。因此，研究不同腦區(qū)不同頻段腦電波的能量譜密度具有顯著意義。

將正確記憶與錯誤記憶中不同頻段不同腦區(qū)的腦電信號進行短時傅里葉變換分析，可得到大腦各腦區(qū)的能量譜，再將各腦區(qū)能量譜采用T檢驗分析，結(jié)果如表1所示。

采用配對樣本T檢驗對前額區(qū)能量譜密度進行對比(表1),可以看出，在大腦前額區(qū)，正確記憶與錯誤記憶δ、θ、α1、α2、β、γ波各頻段能量譜均無顯著差異(P>0.05)，能量譜差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

表1 各腦區(qū)各頻段能量譜密度T檢驗比較

采用配對樣本T檢驗對后額區(qū)能量譜密度進行對比(表1)，可以看出，在大腦后額區(qū)，正確記憶與錯誤記憶δ、θ、α1、α2、γ頻段能量譜均無顯著差異(P>0.05)，能量譜差異無統(tǒng)計學(xué)意義；只有β頻段能量譜具有顯著差異(P=0.039<0.05)，能量譜差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

采用配對樣本T檢驗對前頂區(qū)能量譜密度進行對比(表1)，可以看出，在大腦前頂區(qū)，正確記憶與錯誤記憶δ、α1、γ頻段能量譜均無顯著差異(P>0.05)，能量譜差異無統(tǒng)計學(xué)意義；θ、α2、β頻段能量譜均具有顯著差異(P=0.032<0.05，P=0.027<0.05，P=0.002<0.05)，能量譜差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

采用配對樣本T檢驗對顳區(qū)能量譜密度進行對比(表1)，可以看出，與前額區(qū)相同，在大腦顳區(qū)，正確記憶與錯誤記憶δ、θ、α1、α2、β、γ波各頻段能量譜均無顯著差異(P>0.05)，能量譜差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

采用配對樣本T檢驗對后頂區(qū)能量譜密度進行對比(表1)，可以看出，在大腦后頂區(qū)，正確記憶與錯誤記憶δ、θ、α1、α2、γ頻段能量譜均無顯著差異(P>0.05)，能量譜差異無統(tǒng)計學(xué)意義；只有β頻段能量譜具有顯著差異(P=0.013<0.05)，能量譜差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

采用配對樣本T檢驗對枕區(qū)能量譜密度進行對比(表1)，可以看出，在大腦枕區(qū)，正確記憶與錯誤記憶δ、θ、α1、α2頻段能量譜均無顯著差異(P>0.05)，能量譜差異無統(tǒng)計學(xué)意義；β、γ頻段能量譜均具有顯著差異(P=0.015<0.05，P=0.030<0.05)，能量譜差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

由表1可知，涉及差異的腦區(qū)分別為：后額區(qū)、前頂區(qū)、后頂區(qū)、枕區(qū)；涉及差異的波分別為：θ波、α2波、β波、γ波。θ、α2波僅在大腦前頂區(qū)有差異且前頂區(qū)是唯一的差異腦區(qū)；β波在大腦后額區(qū)、前頂區(qū)、后頂區(qū)、枕區(qū)均有差異；γ波僅在大腦枕區(qū)有差異且枕區(qū)是唯一的差異腦區(qū)。

將涉及能量譜密度顯著差異的腦區(qū)、頻段進行了統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯X區(qū)能量譜密度總差異值由大到小排序分別是：前頂區(qū)(0.025 μV2/Hz)、枕區(qū)(0.012 μV2/Hz)、后額區(qū)(0.004 μV2/Hz)、后頂區(qū)(0.003 μV2/Hz)，說明正確記憶與錯誤記憶在大腦前頂區(qū)差異最顯著，大腦前頂區(qū)θ、α2、β波使得錯誤記憶過程中大腦活躍度顯著高于正確記憶過程；且θ、α2波均是前頂區(qū)唯一差異頻段，β波能量譜密度差異值由大到小排序分別是：枕區(qū)(0.006 μV2/Hz)、后額區(qū)(0.004 μV2/Hz)、前/后頂區(qū)(0.003 μV2/Hz)，說明大腦前頂區(qū)β波并不是引起能量譜差異的最主要的頻段，大腦前頂區(qū)θ、α2波是引起正確記憶與錯誤記憶能量譜密度差異的最主要腦區(qū)和頻段，可以用來區(qū)分正確記憶與錯誤記憶，下面將進行大腦前頂區(qū)θ、α2波的差異性研究。

表2 能量譜密度差異值比較

2.2.2 大腦前頂區(qū)時頻分析

將正確記憶與錯誤記憶存在最大差異性的大腦前頂區(qū)的θ、α2波進行短時傅里葉變換分析對比，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)θ、α2波時頻分析結(jié)果，將影響大腦前頂區(qū)能量譜差異及能量差異的時間因素進行了以下統(tǒng)計，如表3所示。

由圖3、表2、表3能量譜密度差異可知，在大腦前頂區(qū)，θ、α2波高能量譜持續(xù)時間上正確記憶均顯著長于錯誤記憶，但能量譜密度值正確記憶均顯著小于錯誤記憶，反應(yīng)了較高能量譜的持續(xù)時間上對能量譜密度的結(jié)果影響較小，錯誤記憶中兩種腦波的活動能量更強[19]。說明高能量譜持續(xù)時間上的差異可以用來區(qū)分正確記憶與錯誤記憶，但并不能有效區(qū)分正確記憶與錯誤記憶能量譜差異。

表3 能量譜時間差異比較

2.3 腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)果

選定正確記憶和錯誤記憶有顯著差異的θ、α2兩個波段進行研究，分別建立腦功能網(wǎng)絡(luò)，將θ、α2波的腦電信號分別計算各節(jié)點之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，得到不同波段的平均相關(guān)系數(shù)矩陣，如圖4所示。

圖4 正確記憶與錯誤記憶相關(guān)系數(shù)矩陣圖

根據(jù)相應(yīng)頻段的相關(guān)系數(shù)矩陣，通過選取合適閾值構(gòu)建二值矩陣。為保證分頻腦網(wǎng)絡(luò)連通的最大可能值，閾值選取為使腦網(wǎng)絡(luò)沒有孤立的點，選定θ、α2波腦功能網(wǎng)絡(luò)的閾值分別為0.68、0.57，構(gòu)建的二值矩陣如圖5所示。

由圖5可見，正確記憶與錯誤記憶θ波相比，6～22號電極對應(yīng)的后額區(qū)與26～31號電極對應(yīng)的前頂區(qū)連接增加明顯；后額區(qū)內(nèi)部相互連接增加明顯；44～47號電極與51～55號電極對應(yīng)的后頂區(qū)與60～64號電極對應(yīng)的枕區(qū)連接增加明顯。

藍色塊表示兩節(jié)點間無連接，用0表示；黃色塊表示兩節(jié)點間有連接，用1表示

正確記憶與錯誤記憶α2波相比，27～32號電極對應(yīng)的前頂區(qū)與1～22號電極對應(yīng)的整個額區(qū)連接增加明顯；44～59號電極對應(yīng)的后頂區(qū)內(nèi)部互相連接增加明顯；44～59號電極對應(yīng)的后頂區(qū)與45～64號電極對應(yīng)的枕區(qū)連接增加明顯。

分別對θ、α2波構(gòu)建的腦網(wǎng)絡(luò)連接差異如圖6所示。

由圖6可見，正確記憶θ波腦功能網(wǎng)絡(luò)邊的數(shù)量明顯多于錯誤記憶邊的數(shù)目，主要表現(xiàn)在后額區(qū)、后頂區(qū)、枕區(qū)，大腦其他腦區(qū)正確記憶與錯誤記憶邊連接數(shù)量無明顯變化。正確記憶α2波腦功能網(wǎng)絡(luò)邊的數(shù)量明顯多于錯誤記憶邊的數(shù)目，主要表現(xiàn)在額區(qū)、后頂區(qū)、枕區(qū)，大腦頂區(qū)正確記憶部分邊連接數(shù)量少于錯誤記憶；正確記憶前頂區(qū)邊連接數(shù)量較少。

圖5、圖6均說明θ、α2波正確記憶腦網(wǎng)絡(luò)連接顯著大于錯誤記憶，差異頻段的腦功能網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分正確記憶與錯誤記憶，θ、α2波腦網(wǎng)絡(luò)的差異腦區(qū)均主要表現(xiàn)在后額區(qū)、后頂區(qū)、枕區(qū)，為進一步具體明確腦網(wǎng)絡(luò)差異，進行腦網(wǎng)絡(luò)屬性的對比。

藍色線網(wǎng)絡(luò)為正確記憶腦網(wǎng)絡(luò)；紅色線網(wǎng)絡(luò)為錯誤記憶腦網(wǎng)絡(luò)

2.4 分頻腦網(wǎng)絡(luò)屬性結(jié)果

2.4.1 θ、α2腦網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)分析

對大腦θ、α2波的腦網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)分別采用配對樣本T檢驗進行分析，T檢驗計算為正確記憶-錯誤記憶，結(jié)果如表4所示。

2.4.2 θ、α2波各腦區(qū)屬性參數(shù)對比

由表4可見，θ波節(jié)點度配對T檢驗比較結(jié)果為正確記憶與錯誤記憶平均差值為4.719，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.001<0.05)。將具有明顯差異的θ波節(jié)點度分不同腦區(qū)進行差異統(tǒng)計，節(jié)點度差值為正確記憶-錯誤記憶，如表5所示。

由表5可見，各腦區(qū)θ波節(jié)點度差異由大到?。赫韰^(qū)>后額區(qū)>前頂區(qū)>后頂區(qū)>前額區(qū)>顳區(qū)，θ波腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度差異中前頂區(qū)并不是差異最明顯的腦區(qū)，且枕區(qū)、后額區(qū)明顯高于差異均值，貢獻較前頂區(qū)等其他腦區(qū)更大。結(jié)果表明，在顯著性為95%的前提下，正確記憶與錯誤記憶θ波節(jié)點度有顯著差別，正確記憶節(jié)點度較高，錯誤記憶節(jié)點度較低。說明θ波工作記憶任務(wù)進行時枕區(qū)、后額區(qū)等腦區(qū)連接的越多，則對記憶信息進行編碼、提取等加工過程越有貢獻，對正確記憶越有利。

表5 θ波節(jié)點度差異統(tǒng)計

由表4可見，α2波節(jié)點度配對T檢驗比較結(jié)果為正確記憶與錯誤記憶平均差值為5.375，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.001<0.05)。同樣將具有明顯差異的α2波節(jié)點度分不同腦區(qū)進行差異統(tǒng)計，節(jié)點度差值為正確記憶-錯誤記憶，如表6所示。

表4 θ、α2波腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配對樣本T檢驗結(jié)果

由表6可見，各腦區(qū)α2波節(jié)點度差異由大到小：后額區(qū)>前額區(qū)>后頂區(qū)>枕區(qū)>顳區(qū)>前頂區(qū)，α2波腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度差異中前頂區(qū)是差異最不明顯的腦區(qū)，α2波節(jié)點度差異性較大的腦區(qū)主要在后額區(qū)、前額區(qū)，均明顯高于差異均值，差異貢獻遠大于前頂區(qū)。結(jié)果表明，在顯著性為95%的前提下，正確記憶與錯誤記憶α2波節(jié)點度有顯著差別，正確記憶節(jié)點度較高，錯誤記憶節(jié)點度較低。說明α2波節(jié)點度越高，則α2波工作記憶任務(wù)進行時前后額區(qū)等腦區(qū)需要連接其他的腦區(qū)越多，對正確記憶越有利。

表6 α2波節(jié)點度差異統(tǒng)計

由表4可見，θ波介數(shù)中心度配對T檢驗比較結(jié)果為正確記憶與錯誤記憶平均差值為-0.002，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.826>0.05)。結(jié)果表明，在顯著性為95%的前提下，正確記憶與錯誤記憶θ波介數(shù)中心度無顯著差異。說明θ波在工作記憶執(zhí)行過程中正確記憶與錯誤記憶涉及到的腦區(qū)中央化程度以及對腦網(wǎng)絡(luò)的影響作用均無差異，且分別對各自的記憶貢獻度均無差異。

由表4可見，α2波介數(shù)中心度配對T檢驗比較結(jié)果為正確記憶與錯誤記憶平均差值為0.004，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.553>0.05)。結(jié)果表明，在顯著性為95%的前提下，正確記憶與錯誤記憶α2波介數(shù)中心度無顯著差異。說明α2波工作記憶任務(wù)進行時，正確記憶與錯誤記憶網(wǎng)絡(luò)中央化程度以及影響網(wǎng)絡(luò)作用均無差異，對各自的記憶貢獻度均無差異。

由表4可見，θ波聚類系數(shù)配對T檢驗比較結(jié)果為正確記憶與錯誤記憶平均差值為0.067，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.054>0.05)。結(jié)果表明，在顯著性為95%的前提下，正確記憶與錯誤記憶θ波聚類系數(shù)無顯著差別。說明θ波在工作記憶執(zhí)行過程中腦網(wǎng)絡(luò)集團化程度無明顯差別，節(jié)點間記憶信息聚集程度對各自記憶任務(wù)進行的貢獻度無明顯差別。

由表4可知，α2波聚類系數(shù)配對T檢驗比較結(jié)果為正確記憶與錯誤記憶平均差值為0.103，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.001<0.05)。將具有明顯差異的α2波聚類系數(shù)分不同腦區(qū)進行差異統(tǒng)計，聚類系數(shù)差值為正確記憶-錯誤記憶，如表7所示。

由表7可見，各腦區(qū)α2波聚類系數(shù)差異由大到?。猴D區(qū)>枕區(qū)>后額區(qū)>前頂區(qū)>前額區(qū)>后頂區(qū)，α2波腦網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)差異中前頂區(qū)并不是差異最明顯的腦區(qū)，α2波聚類系數(shù)差異性較大的腦區(qū)主要在顳區(qū)、枕區(qū)，均明顯高于差異均值，貢獻較前頂區(qū)等其他腦區(qū)更大。結(jié)果表明，在顯著性為95%的前提下，正確記憶與錯誤記憶α2波聚類系數(shù)有顯著差別。正確記憶聚類系數(shù)較高，錯誤記憶較低。說明α2波正確記憶進行時顳區(qū)、枕區(qū)等腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)集團化程度較高，大腦節(jié)點聚集程度較高，節(jié)點信息連接更加密切。錯誤記憶進行時，顳區(qū)、枕區(qū)等腦區(qū)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)集團化程度較低，節(jié)點間聯(lián)系較弱，不利于正確記憶任務(wù)進行。

表7 α2波聚類系數(shù)差異統(tǒng)計

從腦網(wǎng)絡(luò)連接及屬性的差異結(jié)果可知，θ、α2波整體上正確記憶腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度顯著大于錯誤記憶，且發(fā)現(xiàn)影響腦網(wǎng)絡(luò)連接主要差異的腦區(qū)并不是前頂區(qū)，前頂區(qū)θ、α2波正確記憶連接程度及節(jié)點度均顯著高于錯誤記憶，α2波正確記憶聚類系數(shù)顯著高于錯誤記憶，但能量譜密度值正確記憶均小于錯誤記憶，其他腦區(qū)的情況也是如此。從前頂區(qū)最顯著能量譜差異與腦網(wǎng)絡(luò)最明顯差異腦區(qū)的不同上，可以發(fā)現(xiàn)腦網(wǎng)絡(luò)的連接與能量譜密度大小是有一定影響及聯(lián)系的，可能是腦區(qū)間作用機制的不同使得正確記憶與錯誤記憶存在顯著差別。

3 討論

由時頻分析結(jié)果可知，大腦前頂區(qū)能量譜及能量差異是大腦各腦區(qū)中差異最大的，而θ、α2兩個頻段的差異最為明顯。

正確記憶θ波活動能量小于錯誤記憶，且前頂區(qū)θ波正確記憶的主要任務(wù)時間長于錯誤記憶。θ波能量的增加與信息的編碼和記憶提取等許多過程有關(guān)，也涉及到工作記憶的活動和與目標(biāo)刺激相關(guān)的注意力分配，且與持有的信息量成正比，即負荷量越大，θ波活動能量越大[20-22]。正確記憶中被試檢索到測試詞與學(xué)習(xí)詞一致對應(yīng)率較高，判斷為出現(xiàn)過，θ波活動增加，記憶負荷難度較小?？梢酝茢喑鰧W(xué)習(xí)過的舊詞進行記憶提取，這個過程也可能涉及到信息的再次編碼，主要任務(wù)時間約為160 ms，θ波活動在原來的基礎(chǔ)上可能會有所增加，但是編碼信息負荷較新信息低，推斷出此過程記憶提取產(chǎn)生的θ波占主導(dǎo)。錯誤記憶中，被試檢索到測試詞與學(xué)習(xí)詞不對應(yīng)率較高，判斷為未出現(xiàn)過，實際是檢索信息時出現(xiàn)了暫時遺忘。由于被試出現(xiàn)了暫時遺忘，因此檢索信息時不能準(zhǔn)確來對應(yīng)所記詞匯，結(jié)果同樣導(dǎo)致θ波活動能量會增加，被試測試階段相當(dāng)于對新詞從新編碼，編碼新信息負荷量要更高，且能推斷出編碼新信息所需的θ波活動能量要高于準(zhǔn)確記憶提取過程的θ波活動能量，主要任務(wù)時間約為60 ms，結(jié)果為θ波在錯誤記憶中活動能量更大。因此在工作記憶熟悉狀態(tài)下，檢索過程中不考慮其他因素，大腦前頂區(qū)θ波新信息的成功編碼能量高于正確記憶提取的能量，且編碼新信息的主要任務(wù)時間大于正確記憶的提取任務(wù)時間。

相關(guān)研究證明了α波活動變化與神經(jīng)生理和工作記憶認(rèn)知過程等密切相關(guān)[23]。對于α2波，同樣也發(fā)現(xiàn)正確記憶α2波活動能量小于錯誤記憶，α2波差異腦區(qū)正確記憶主要任務(wù)時間長于錯誤記憶。α1波實際上反應(yīng)了一種階段性警覺性，即一個詞匯結(jié)束后黑屏到下一個詞匯開始的這段時間，人腦正實時處理資源分配[24]；Steiger等[25]研究發(fā)現(xiàn)α1波與α2波具有相反活動量差異的趨勢。本實驗中正確記憶與錯誤記憶對被試的階段警覺性差異不明顯，即在大腦的全部腦區(qū)中，被試受詞匯事件刺激產(chǎn)生的α1波能量對正確記憶與錯誤記憶無顯著性差異，選擇性注意以及大腦處理分配資源無顯著差異。α2波是快速有選擇的反應(yīng)記憶的過程，有研究指出該選擇性過程表現(xiàn)與抑制處理任務(wù)無關(guān)信息的作用一致[26]。該過程涉及到對材料的選擇性記憶和處理對應(yīng)的記憶信息，同時反映了對與任務(wù)無關(guān)信息注意的抑制能力，從而決定了從工作記憶系統(tǒng)內(nèi)存中檢索信息的速度。正確記憶與錯誤記憶的差異，發(fā)現(xiàn)只在大腦前頂區(qū)存在差異，其余腦區(qū)均無差異。正確記憶，主要任務(wù)時間約為230 ms，這段時間測試詞的再現(xiàn)使得被試產(chǎn)生準(zhǔn)確的選擇性記憶識別，記憶搜索測試詞在學(xué)習(xí)詞記憶中的編碼，即測試詞在學(xué)習(xí)詞中出現(xiàn)過。錯誤記憶，主要任務(wù)時間約為160 ms，測試詞的再現(xiàn)使得被試產(chǎn)生不準(zhǔn)確的選擇性記憶識別，記憶搜索測試詞搜索不到在學(xué)習(xí)詞記憶中的編碼，即被試認(rèn)為測試詞在學(xué)習(xí)詞中未出現(xiàn)過。錯誤記憶檢索處理發(fā)生要慢于正確記憶發(fā)生，主要任務(wù)處理時間較短，可能是錯誤記憶搜索測試詞過程中，由于不能快速搜索到該對應(yīng)學(xué)習(xí)編碼使得搜索路徑變長，搜索暫時存儲的記憶速度變快，持續(xù)時間變長，腦波活動能量較正確記憶更高。

通過對上述差異頻段的分析，可以發(fā)現(xiàn)差異頻段中θ、α2主要任務(wù)時間均為正確記憶長于錯誤記憶，但錯誤記憶中差異波段活動能量均顯著大于正確記憶，說明主要任務(wù)時間并不是影響腦波活動能量大小的主要因素。對全部腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)連接及屬性差異結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)正確記憶中大腦后額區(qū)、枕區(qū)θ波與大腦前后額區(qū)、后頂區(qū)α2波節(jié)點度均顯著高于錯誤記憶，大腦顳區(qū)、枕區(qū)、后額區(qū)正確記憶α2波聚類系數(shù)顯著高于錯誤記憶。θ、α2波介數(shù)中心度均無顯著差異?？傊緦嶒炛袝r頻差異分析主要發(fā)現(xiàn)了在大腦前頂區(qū)，錯誤記憶θ、α2波活動能量明顯高于正確記憶，且θ、α2波主要任務(wù)時間正確記憶長于錯誤記憶；分頻腦功能網(wǎng)絡(luò)差異分析發(fā)現(xiàn)了枕區(qū)、后額區(qū)θ、α2頻段的腦網(wǎng)絡(luò)連接正確記憶顯著大于錯誤記憶，可以發(fā)現(xiàn)正確記憶與錯誤記憶的頻段活動能量差異與相應(yīng)的分頻腦功能網(wǎng)絡(luò)的差異并不完全一致，進一步說明了可能存在不同頻段腦區(qū)間的相互作用機制使得正確記憶與錯誤記憶存在顯著差異，并且發(fā)現(xiàn)了θ、α2波腦功能網(wǎng)絡(luò)連接越密集對正確記憶貢獻越大，可能這樣的密集網(wǎng)路有利于正確記憶信息的快速傳遞。對全部被試進行行為學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)了錯誤記憶反應(yīng)時間顯著長于正確記憶，均表明正確記憶與錯誤記憶的差異是明顯的，說明被試出現(xiàn)暫時遺忘情況下的錯誤記憶與被試正確擊中情況下的正確記憶思考時的模式是截然不同的。

4 結(jié)論

設(shè)計了基于DRM范式改進的腦電實驗，采集了14名被試的腦電信號，對腦電信號分別作δ、θ、α1、α2、β、γ波的能量譜差異分析以及顯著差異頻段腦功能網(wǎng)絡(luò)分析，并結(jié)合行為學(xué)數(shù)據(jù)分析進行了正確記憶與錯誤記憶的差異性探究。對工作記憶中正確記憶與錯誤記憶實驗的差異性探究，主要進行了腦電數(shù)據(jù)θ、α2差異波的對比分析，發(fā)現(xiàn)腦波活動能量差異受多種因素影響，得出如下結(jié)論。

(1)各腦區(qū)各頻段活動能量差異中最顯著的是大腦前頂區(qū)的θ、α2波，腦功能網(wǎng)絡(luò)差異中最活躍的腦區(qū)是大腦后額區(qū)；前頂區(qū)的θ、α2波活動能量，錯誤記憶顯著大于正確記憶；前頂區(qū)θ、α2波主要任務(wù)持續(xù)時間，正確記憶顯著大于錯誤記憶；后額區(qū)θ、α2波腦功能網(wǎng)絡(luò)信息傳遞數(shù)量及節(jié)點度屬性，正確記憶顯著大于錯誤記憶；后額區(qū)α2波聚類系數(shù)屬性，正確記憶顯著大于錯誤記憶。行為數(shù)據(jù)中反應(yīng)時長，錯誤記憶顯著長于正確記憶。且發(fā)現(xiàn)主要任務(wù)持續(xù)時間因素并不能有效影響腦波活動能量，但在正確記憶與錯誤記憶中卻存在顯著差異。另外，通過對比發(fā)現(xiàn)，無論正確記憶還是錯誤記憶，后額區(qū)θ、α2波大腦活動能量均大于前頂區(qū)，且后額區(qū)正確記憶與錯誤記憶大腦活動能量無顯著差異，后額區(qū)與前頂區(qū)之間的正確記憶功能連接顯著大于錯誤記憶。θ波功能信息傳遞貢獻最大的腦區(qū)是后額區(qū)，α2波功能信息傳遞貢獻較大的腦區(qū)是后額區(qū)、后頂區(qū)，我們推論正確記憶與錯誤記憶θ波活動能量差異可能由后額-前頂記憶機制的不同造成的，α2波活動能量差異可能是后額后頂-前頂記憶機制的不同導(dǎo)致的，θ、α2波的記憶任務(wù)信息通過這樣的主要機制，會在前頂區(qū)表現(xiàn)出明顯的不同，即正確記憶的大腦活躍程度相對錯誤記憶均是顯著降低的。以上差異結(jié)論均可以區(qū)分正確記憶與錯誤記憶。

(2)正確記憶與錯誤記憶的差異性研究證明，從時頻域差異分析發(fā)現(xiàn)的腦波活動能量差異到腦網(wǎng)絡(luò)差異分析發(fā)現(xiàn)的腦區(qū)功能連接差異，兩種記憶各方面均有顯著差異表現(xiàn)，差異原因可能是后額-前頂記憶機制。若工作記憶中大腦前頂區(qū)θ、α2波活動能量較低，且主要任務(wù)過程中高活動能量持續(xù)時間較長，處理各自記憶任務(wù)時的后額區(qū)與前頂區(qū)θ、α2波腦網(wǎng)絡(luò)連接通路越多，則對正確記憶越有利，出現(xiàn)錯誤記憶越困難，即正確記憶越易實現(xiàn)。主要從時頻域及腦功能網(wǎng)絡(luò)上對正確記憶與錯誤記憶的差異性進行了探究，為更好的揭示正確記憶與錯誤記憶腦機制運行及更好的區(qū)分正確與錯誤記憶提供了新的思路。