趙建強(qiáng),周昌樂

(廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

短期禪修效果的腦電圖多尺度排列熵分析

趙建強(qiáng),周昌樂*

(廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建省仿腦智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

摘要：立足于短期禪修的實(shí)踐,運(yùn)用腦電圖(EEG)檢測(cè)手段,采用多尺度排列熵的方法,同期對(duì)照實(shí)驗(yàn)組和控制組腦電活動(dòng)的差異,從神經(jīng)科學(xué)的角度對(duì)短期禪修的效果進(jìn)行了研究．通過分析θ節(jié)律和α節(jié)律在禪修前后的變化,發(fā)現(xiàn)θ節(jié)律的排列熵在禪修后呈減小趨勢(shì),而α節(jié)律的排列熵則呈增大趨勢(shì),表明短期禪修提升了腦神經(jīng)元電活動(dòng)的同步化現(xiàn)象,從而有助于禪修人員的精神放松、注意力的提升以及焦慮的釋放．

關(guān)鍵詞：腦電圖(EEG);多尺度排列熵;短期禪修;θ節(jié)律;α節(jié)律

現(xiàn)代社會(huì)的生活工作節(jié)奏日益加快,競(jìng)爭(zhēng)激烈,人們工作、生活和學(xué)習(xí)的壓力導(dǎo)致了各種心理上的沖突、壓力和焦慮不斷增加．如果長(zhǎng)期處于這種亞健康狀態(tài),將會(huì)對(duì)身體健康造成很大的不良影響[1]．

中華禪宗心法學(xué)說中的內(nèi)心存養(yǎng)方法對(duì)于提升心理素質(zhì)、完善心理品質(zhì)、提高心理能力都有極大的幫助,在西方的情感認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中得到廣泛研究[2-4]．對(duì)于禪宗修行的效果,以往研究的對(duì)象多側(cè)重于有長(zhǎng)期禪修經(jīng)歷的人員,當(dāng)然,這一定程度上是由禪修的長(zhǎng)期性特點(diǎn)所決定的,然而這種長(zhǎng)時(shí)間的修行方式并不適合于現(xiàn)代人的生活方式,所以找到一種有效的短期修行方法,用于提升現(xiàn)代人的心理品質(zhì)及身體健康,則顯得十分必要．廈門大學(xué)周昌樂教授對(duì)中華傳統(tǒng)心法進(jìn)行了深入的研究,對(duì)傳統(tǒng)的禪修方式進(jìn)行了改造,創(chuàng)造出了一種適合現(xiàn)代人的禪修方法——“樂易心法”,而“七日禪”則是“樂易心法”中的一種七日集中修行方法．

基于前人的研究,禪修對(duì)腦電產(chǎn)生的影響,主要表現(xiàn)為α節(jié)律功率的減小、頻率的增加和一致性的降低,以及θ節(jié)律的功率和一致性的增加[5],所以本文重點(diǎn)對(duì)禪修前后的α節(jié)律和θ節(jié)律進(jìn)行了分析,研究了“七日禪”這一短期禪修方法的效果．

我們以分析腦電信號(hào)的方式對(duì)“七日禪”的效果進(jìn)行了研究．采用排列熵方法對(duì)禪修前后的腦電復(fù)雜度進(jìn)行了分析,通過禪修前后腦電排列熵的變化,研究了“七日禪”短期禪修對(duì)人腦的影響．

1排列熵及多尺度排列熵

排列熵是Bandt等[6]于2002年提出的一種基于對(duì)時(shí)間序列相鄰值進(jìn)行比較而形成的一種復(fù)雜度參數(shù)方法,對(duì)于一些混沌動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),該方法的表現(xiàn)與Lyapunov指數(shù)類似,與其他的一些非線性單調(diào)變換相比,具有簡(jiǎn)單、容易計(jì)算和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)．

傳統(tǒng)的熵方法只是在單一尺度上對(duì)時(shí)間序列的有序性進(jìn)行描述,但有時(shí)并不能真實(shí)反映出系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)復(fù)雜性,甚至曾經(jīng)在用于研究健康和疾病狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生過相沖突的結(jié)論[7],于是Costa等引入了多尺度熵,從多重的時(shí)空尺度對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜度進(jìn)行研究．

多尺度熵是一種度量有限長(zhǎng)度時(shí)間序列復(fù)雜度的方法,既可以用于物理數(shù)據(jù)的研究,也可以用于生理學(xué)數(shù)據(jù)的分析[7]．相比于傳統(tǒng)熵方法中固定不變的尺度因子,多尺度熵通過對(duì)原始時(shí)間序列進(jìn)行粗?；?coarse-grained)變換,創(chuàng)建出連續(xù)的粗粒化時(shí)間序列[7],在該時(shí)間序列上再采用熵方法處理數(shù)據(jù),從傳統(tǒng)熵方法中靜態(tài)的單一熵值轉(zhuǎn)化成為多尺度熵中動(dòng)態(tài)的熵值序列．在分析多尺度排列熵時(shí),為了消除不同被試間的差異性,使不同被試數(shù)據(jù)的比較更加合理,本文又對(duì)計(jì)算得到的排列熵做了min-max歸一化處理,所以最終熵值都介于0～1之間．

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象及禪修過程

選取60名未參加過禪修的被試,實(shí)驗(yàn)組和控制組各30名,每組都是15男15女,其中控制組年齡在19～43歲之間,平均年齡(27.9±6.4)歲,不參加禪修;實(shí)驗(yàn)組年齡在21～40歲之間,平均年齡(31.9±5.6)歲,參加禪修．所有被試身體健康,無精神病或大腦創(chuàng)傷史,右利手,且自愿參加,并簽署同意書．

對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行七日封閉禪修訓(xùn)練,過程主要包括開示、冥想、打坐、行禪、參公案、討論及請(qǐng)益環(huán)節(jié),期間所有被試集中進(jìn)行,統(tǒng)一活動(dòng),統(tǒng)一安排作息．

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

禪修前后采集實(shí)驗(yàn)組和控制組的腦電數(shù)據(jù),采集在電磁屏蔽室進(jìn)行,使用Neuroscan SynAmps 264導(dǎo)腦電圖(EEG)采集系統(tǒng),采樣率為1 000 Hz,根據(jù)國(guó)際10-20頭皮電極放置系統(tǒng)記錄到66個(gè)導(dǎo)頭皮腦電信號(hào):FP1、FPZ、FP2、AF3、AF4、F7、F5、F3、F1、FZ、F2、F4、F6、F8、FT7、FC5、FC3、FC1、FCZ、FC2、FC4、FC6、FT8、T7、C5、C3、C1、CZ、C2、C4、C6、T8、HEO、TP7、CP5、CP3、CP1、CPZ、CP2、CP4、CP6、TP8、VEO、P7、P5、P3、P1、PZ、P2、P4、P6、P8、PO7、PO5、PO3、POZ、PO4、PO6、PO8、CB1、O1、OZ、O2、CB2、M1、M2，依次編號(hào)為1～66．其中HEO和VEO為眼電極,M1和M2為乳突參考電極,這4個(gè)電極主要在預(yù)處理階段起輔助作用,在數(shù)據(jù)分析部分將予以排除．

共采集20 min腦電數(shù)據(jù),2組被試在記錄腦電時(shí)都被要求安靜閉目,消除雜念,努力做到靜慮．

數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括去眼電和濾波2部分:首先使用Neuroscan的SCAN軟件去除眼電,然后使用EEGLAB[9-10]濾波得到θ節(jié)律(4～7 Hz)和α節(jié)律(8～13 Hz),用于對(duì)不同節(jié)律的單獨(dú)分析．

3數(shù)據(jù)分析

腦科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),在腦電分析方面,靜慮主要與θ節(jié)律和α節(jié)律波有關(guān)聯(lián)[11]．由于本文通過靜慮腦電研究禪修的效果,所以在數(shù)據(jù)分析時(shí),通過濾波只提取了θ節(jié)律和α節(jié)律,重點(diǎn)對(duì)這2種節(jié)律的排列熵進(jìn)行了研究．

由于短期禪修培訓(xùn)的被試進(jìn)入靜慮狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng),被試可能會(huì)產(chǎn)生較重的睡意,所以,選取10 min后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:從第10 min開始取30 s數(shù)據(jù),尺度因子選取1～100,計(jì)算控制組和實(shí)驗(yàn)組的θ節(jié)律和α節(jié)律多尺度排列熵．

3.1整體排列熵均值變化分析

為了從整體上找出控制組和實(shí)驗(yàn)組的多尺度排列熵的變化規(guī)律,對(duì)全部電極位(不包含眼電極VEO、HEO和乳突參考電極M1、M2)取整體均值,繪制整體均值的多尺度排列熵趨勢(shì)圖,如圖1所示．

圖1中的實(shí)線和虛線的吻合程度顯示了多尺度排列熵在前后2次測(cè)試的變化：重合度越高,表明前測(cè)和后測(cè)的排列熵變化越小,反之變化越大．

控制組(圖1(a)和(c)):沒有參加禪修的控制組人員的θ節(jié)律和α節(jié)律的多尺度排列熵曲線,其前測(cè)和后測(cè)的曲線幾乎完全重合,表明其腦電排列熵沒有明顯差異,這與本文的實(shí)驗(yàn)預(yù)期相吻合,即沒有參加禪修的控制組排列熵沒有變化．

實(shí)驗(yàn)組(圖1(b)和(d)):參加禪修的實(shí)驗(yàn)組人員的θ節(jié)律和α節(jié)律的多尺度排列熵曲線,可以看出圖1(b)中θ節(jié)律的前測(cè)和后測(cè)曲線重合度仍然較高,但相比于圖1(a)中θ節(jié)律的重合程度有了輕微的分離傾向,暗示禪修對(duì)θ節(jié)律產(chǎn)生了程度輕微的影響(下文會(huì)有進(jìn)一步的量化分析);相比之下,圖1(d)中α節(jié)律的前測(cè)和后測(cè)曲線的分離則非常明顯,表明禪修在α節(jié)律上產(chǎn)生了較大的影響．

3.2對(duì)各電極位置排列熵值的分析

圖1中整體均值的多尺度排列熵趨勢(shì),直觀地顯示出排列熵整體均值隨尺度因子的變化規(guī)律,但整體均值多尺度熵提供的信息較為有限,無法反映全部腦區(qū)具體電極位置的排列熵變化情況．為了更細(xì)致地分析各電極位置排列熵在禪修前后的變化趨勢(shì),還需要對(duì)每一個(gè)電極的排列熵進(jìn)行更為細(xì)致的量化分析．

從圖1(d)可以看出,當(dāng)尺度因子s=50時(shí),α節(jié)律禪修前后的熵值可以得到較明顯的區(qū)分,所以選取尺度因子s=50時(shí)的熵值對(duì)α節(jié)律進(jìn)一步研究,以分析各電極排列熵變化的顯著程度．至于θ節(jié)律尺度因子的選取,因?yàn)槎喑叨扰帕徐刳厔?shì)圖中并沒有顯示出某個(gè)尺度因子比其他尺度更具優(yōu)勢(shì),所以同樣選取s=50的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

禪修前的測(cè)試稱為前測(cè)，禪修后的測(cè)試稱為后測(cè)，下同．采樣時(shí)間：10.0～10.5 min.圖1　整體均值的多尺度排列熵Fig.1Overall average multiscale permutation entropy

取顯著性水平p=0.05,對(duì)θ節(jié)律和α節(jié)律的控制組、實(shí)驗(yàn)組做配對(duì)t-檢驗(yàn),結(jié)果如表1和2所示(由于顯示全部62個(gè)電極數(shù)據(jù)的表格過于龐大,這里只列出了具有顯著變化的電極位置及其對(duì)應(yīng)的控制組結(jié)果,以進(jìn)行比對(duì))．對(duì)于表1和表2中列出的有顯著變化的電極,從實(shí)驗(yàn)組前測(cè)和后測(cè)的排列熵均值變化可以發(fā)現(xiàn),θ節(jié)律的排列熵在禪修后呈減小趨勢(shì),而α節(jié)律的排列熵則呈增大趨勢(shì)．

表1　θ節(jié)律排列熵比較

表2　α節(jié)律排列熵比較

圖2顯示了全部62個(gè)電極位置在禪修前后的排列熵變化趨勢(shì)．圖中各電極排列熵在禪修前后的對(duì)比顯示：沒有參加禪修的控制組,前測(cè)和后測(cè)的排列熵并沒有顯著差異；而參加禪修的實(shí)驗(yàn)組,無論θ節(jié)律還是α節(jié)律都呈現(xiàn)出了明顯的分離趨勢(shì)．這一分離趨勢(shì)顯示了禪修的效果:θ節(jié)律的排列熵在禪修后呈減小趨勢(shì),α節(jié)律的排列熵呈增大趨勢(shì)．

實(shí)心點(diǎn)標(biāo)注的是p<0.05的電極，其中刪去了編號(hào)33,43的眼電極和編號(hào)65,66的參考電極．圖2　各電極平均排列熵Fig.2Average permutation entropy of each location

3.3具有顯著排列熵差異的位置分布

為分析禪修效果在各腦區(qū)的分布,繪制s=50時(shí)控制組和實(shí)驗(yàn)組各點(diǎn)位排列熵均值的腦電地形圖,如圖3所示．圖中除了顯示出前測(cè)和后測(cè)的排列熵變化,還顯示出排列熵顯著變化的腦區(qū)分布:θ節(jié)律排列熵的顯著變化主要分布在額區(qū)左側(cè)、中央?yún)^(qū)左側(cè)及枕區(qū)；α節(jié)律排列熵的變化則近乎遍布全部腦區(qū),只是在右前額和右側(cè)額的變化程度稍?。?/p>

4討論

α節(jié)律是一種可以代表大腦狀態(tài)的特色節(jié)律波,一般被認(rèn)為是產(chǎn)生于多數(shù)神經(jīng)元回路的電活動(dòng),重疊成為較大的α節(jié)律,這就是同步化現(xiàn)象．這種同步性如果為某種刺激所擾亂,各個(gè)細(xì)胞的放電就變得不一致,結(jié)果α節(jié)律將減弱或消失．正常節(jié)律的抑制是腦電的一種異?，F(xiàn)象,它通常是腦功能障礙的電生理表現(xiàn)(如精神分裂癥患者普遍存在α節(jié)律的減弱以及δ節(jié)律和θ節(jié)律的增強(qiáng)),腦皮層處于抑制狀態(tài)時(shí),細(xì)胞代謝進(jìn)行速度變慢,從而引發(fā)慢波(δ節(jié)律、θ節(jié)律)[10]．從α節(jié)律同步及抑制角度分析,本文中α節(jié)律排列熵的增大以及θ節(jié)律排列熵的減小表明短期禪修增強(qiáng)了神經(jīng)元活動(dòng)的同步性,降低了不一致性,從而使各腦區(qū)處于一種更加良性的運(yùn)行狀態(tài)．

紅點(diǎn)標(biāo)注的是排列熵變化顯著(p<0.05)的電極位置.圖3　平均排列熵腦電地形圖Fig.3Average permutation entropytopographic map

自從Berger[12]發(fā)現(xiàn)清醒狀態(tài)下正常人腦電中占據(jù)主導(dǎo)地位的節(jié)律是α節(jié)律以來,α節(jié)律得到大量的研究．有研究發(fā)現(xiàn),腦波處于α節(jié)律時(shí),人體進(jìn)入“放松性警覺”狀態(tài),主觀感覺舒適、放松．在那些正以某種方式入定的放松者中間,腦波α節(jié)律成分有序化逐漸增強(qiáng),而憂慮者則很少出現(xiàn)α節(jié)律[13]．當(dāng)情緒緊張時(shí),α節(jié)律受到抑制甚至消失,并且焦慮癥和心身疾病患者往往表現(xiàn)出超出正常水平的高喚醒狀態(tài),其α節(jié)律較少，波幅較小且頻率較快[14]．因此,短期禪修對(duì)α節(jié)律排列熵的提升反映出了精神的放松以及焦慮的降低．

成人在困倦或淺睡時(shí)可以記錄到θ節(jié)律,且α節(jié)律降低,代表了大腦皮層的一種抑制狀態(tài)．本實(shí)驗(yàn)中θ節(jié)律排列熵的減小及α節(jié)律排列熵的增大,表明禪修對(duì)被試的作息產(chǎn)生了積極影響,這反映出清醒程度的增加,有助于注意力的提升．

綜上所述,“七日禪”可以增強(qiáng)腦活動(dòng)同步化現(xiàn)象,使大腦保持更加健康的狀態(tài),有助于禪修習(xí)練者精神放松、釋放壓力及排解憂慮,提升意識(shí)的清醒度及注意力．

5結(jié)論

本文采用多尺度排列熵方法,對(duì)“七日禪”短期禪修的效果進(jìn)行了研究,獲得了預(yù)期的效果,表明排列熵可以作為研究禪修習(xí)練者腦電復(fù)雜度的一種表征,多尺度排列熵是研究禪修效果的一種有效方法．

通過對(duì)禪修前后θ節(jié)律和α節(jié)律排列熵的變化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)所采用的“七日禪”短期禪修方法可以對(duì)大腦的運(yùn)行產(chǎn)生積極的影響,有助于改善焦慮及減輕心理壓力,避免長(zhǎng)期壓力的積累導(dǎo)致各種心身疾病,保持身體健康．

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Analysis of Short-term Zen Meditation Based on Multiscale Permutation Entropy

ZHAO Jianqiang,ZHOU Changle*

(Fujian Key Lab of Brain-like Intelligent Systems,School of Information Science and Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:From the perspective of neuroscience through electroencephalogram (EEG) analysis, effects of short-term Zen meditation practice are studied with the method of multiscale permutation entropy.By analyzing the θ rhythm and α rhythm changes after the meditation,the permutation entropy of θ rhythm shows a decreasing trend,while it shows aninverse trend of increase in α rhythm.The result indicates that the short-term meditation has improved synchronization phenomenon of electrical activity in the brain neurons.Thus the short-term Zen meditator is conducive to mental relaxation,promotion of attention,and release of anxiety.

Key words:electroencephalogram (EEG);multiscale permutation entropy;short-term Zen meditation; θ rhythm; α rhythm

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.2016.03.020

收稿日期：2015-12-08錄用日期：2016-03-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61273338);國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(11&ZD187)

*通信作者：dozero@xmu.edu.cn

中圖分類號(hào):TP 391.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438-0479(2016)03-0420-06

引文格式：趙建強(qiáng),周昌樂.短期禪修效果的腦電圖多尺度排列熵分析.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,55(3)：420-425.

Citation：ZHAO J Q,ZHOU C L．Analysis of short-term Zen meditation based on multiscale permutation entropy.Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(3)：420-425．(in Chinese)