为了探究海洛因诱导位置偏爱大鼠的觅药行为及动机形成与样本熵值之间的关联, 在黑、白箱停留、白-黑箱穿梭、黑-白箱穿梭四种不同的大鼠行为状态下, 研究对照组与海洛因诱导条件性位置偏爱(CPP)组大鼠的前额联络皮层(FrA)脑电(EEG)数据样本熵值。实验结果表明, 与对照组比较, 海洛因诱导CPP大鼠在白-黑箱穿梭和黑箱停留状态时, FrA区EEG样本熵值无显著改变; 但黑-白箱穿梭和白箱停留状态时, FrA区EEG样本熵值显著变小(P＜0.01)。由此可见, 海洛因诱导CPP大鼠觅药动机形成及其行为与EEG样本熵值改变之间密切相关。
引用本文： 黄磊, 潘群皖, 朱再满, 李晶, 高春芳, 李田, 徐晓燕. 海洛因诱导位置偏爱大鼠额叶联络皮层脑电样本熵分析. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(2): 275-278, 283. doi: 10.7507/1001-5515.20150050 复制
引言
海洛因依赖患者强迫戒断后，多存在着强烈的觅药动机及行为，一旦引燃刺激出现就可能产生复吸，这既是海洛因成瘾的主要特征, 也是戒毒治疗的难点所在[1]。大量实验表明，海洛因诱导所产生的条件性位置偏爱(conditioned place preference，CPP)和觅药行为与大脑前额联络皮层(frontal association cortex, FrA)的神经元功能及其突触间基质蛋白有关[2]。我们先前的研究发现：海洛因依赖大鼠戒断期左侧FrA区无线遥测脑电(electroencephalogram, EEG)慢波减少、快波增加的特异性改变，可能与其觅药行为及动机形成有关[3]。Zou等[4]的研究也表明，大鼠急性吗啡用药时，其左右侧皮层EEG的δ、θ、α1、α2、β1、β2波绝对功率增加，侧叶皮层有大量的θ波，中间前额皮层EEG波变化较大。但这些研究是基于将EEG信号视作线性、平稳信号的前提而采用快速傅里叶变换等经典数字信号处理方法得出的结果。但事实上，EEG信号是脑部无数神经元电生理活动的总体表现，因而呈现确定系统的混沌规律，属于典型的非线性、非平稳随机过程[5]，特别是与觅药动机及行为有关的EEG信号中这种特点更明显。样本熵(sample entropy, SampEn)作为度量序列复杂性的统计方法，具有需要数据点数少、计算速度快以及抗噪能力强等特点，已广泛应用于睡眠[6]、癫痫[7]、脑死亡[8]、网络成瘾[9]等生理过程EEG信号处理的研究中，但药物依赖状态下EEG的样本熵处理则鲜见报道。为此，本课题组在已有研究成果的基础上，引入样本熵技术来分析海洛因诱导所产生的CPP大鼠在“瘾”表现强烈时刻的FrA区无线遥测EEG数据，以期探究海洛因诱导所产生的CPP大鼠觅药动机形成及行为与FrA区EEG样本熵值改变之间的关联。
1 基本理论的介绍
1.1 (静态)样本熵定义及算法
(静态)样本熵是由Richman等[10]提出的一种时间序列复杂性测度方法。可用SampEn(m, r, N)表示，其中m表嵌入维数，一般取m=1或2；r为相似容限，一般取r=0.1~0.25 SD(SD为原始数据的标准差)；N为数据长度即离散数据点数，为得到较小的伪差和有效的统计特性，N一般取100~5 000。对一个有N个原始数据点的EEG数据，其样本熵算法如下：
(1)按序号连续顺序组成一组m维矢量：
| $\begin{array}{l} \boldsymbol{X}\left(i \right)=\left[{\boldsymbol{x}\left(i \right), \boldsymbol{x}\left({i + 1} \right), \cdots, x\left({i + m-1} \right)} \right], i=1, \ 2, \cdots, N-m + 1 \end{array}$ |
(2)定义矢量X(i)和X(j)之间的距离d[X(i), X(j)]为两者对应元素中差值最大的一个，即：
| $\begin{array}{l} d\left[{\boldsymbol{X}\left(i \right), \boldsymbol{X}\left(j \right)} \right]=\max \left[{\boldsymbol{x}\left({i + k} \right)-\boldsymbol{x}\left({j + k} \right)} \right], \ k=0, 1, m-1 \end{array}$ |
(3)给定阈值r，对每一个i值统计X(i)和X(j)之间的距离d[X(i), X(j)]小于r的数目及此数目与距离总数N-m的比值，记作Bim，即：
| $\begin{array}{l} \boldsymbol{B}_i^m\left(r \right)=\frac{1}{{N-m}}\left\{ {d\left[{\boldsymbol{X}\left(i \right), \boldsymbol{X}\left(j \right)} \right] < r{\rm{的数目}}} \right\}, i=\ 1 \sim N-m + 1, i \ne j \end{array}$ |
(4)累加(3)中所有Bim(r)，即：
| $\boldsymbol{B}_i^m\left(r \right)=\frac{1}{{N-m + 1}}\sum\limits_{i=1}^{N-m + 1} {\boldsymbol{B}_i^m\left(r \right)} $ |
(5)将嵌入维数加1，即对于m+1点矢量，重复上述(1)~(4)，得到Bm+1(r)。
(6)上述N点离散数据序列的样本熵值理论上为
| ${\rm{sampEN}}\left({m, r} \right)=\mathop {\lim }\limits_{N \to \infty } \left\{ {-\ln \left[{{\boldsymbol{B}^{m + 1}}\left(r \right)/{\boldsymbol{B}^m}\left(r \right)} \right]} \right\}$ |
当N有限时，式(5)可表示为：
| ${\rm{sampEN}}\left({m, r} \right)=-\ln \left[{{\boldsymbol{B}^{m + 1}}\left(r \right)/{\boldsymbol{B}^m}\left(r \right)} \right]$ |
采集2.2节中海洛因诱导模型特征明显大鼠的FrA区无线遥测EEG数据，并按行为状态进行标注及分类，然后自编程序实现上述理论公式的算法，在Matlab2011a平台上计算对应(静态)样本熵。
1.2 动态样本熵定义
从上述(静态)样本熵算法理论分析可知：其算法只是对大鼠FrA区无线EEG数据中某段含N个离散数据点求值(对本课题若取N=500，即1 s时间内对应数据)，其结果当然只能反映这1 s内EEG数据的复杂度，缺乏全局性，不能反映整个测量时间段样本熵的变化过程。为此，有学者在(静态)样本熵的基础上通过引入一个时间变量t，对样本熵算法在时间轴上进行多尺度扩展，从而得到动态样本熵[11]。即对于一个时间总长度为T的时间序列s(t)，通过引入一个宽度为t′的时间窗口，窗口沿时间轴t不断移动，若起始时间为t0，则t=t0+n*t′(n为非负整数)。进入窗口的时间序列可表示为
| ${X_t}=\left[{{x_t}\left(1 \right), {x_t}\left(2 \right), \cdots, {x_t}\left(N \right)} \right], $ |
其中t=0，…，T-t′，N为t′对应的序列长度。
按式(7)扩展1.1节中(静态)样本熵的算法就可得到动态样本熵值。
2 试验设计过程
2.1 大鼠FrA区电极埋藏和分组
取经过下述2.2节海洛因诱导大鼠模型制备第一阶段测试筛选出的黑箱偏爱大鼠安放0.3 mm漆包镍铬丝电极，其左右侧FrA定位为：前囟+5 mm，矢状缝旁开2 mm，深度2.5 mm。电极埋藏后，用自凝牙科水泥连同置于头皮下组织的接地电极封闭固定，术后3 d连续肌注青霉素400 kU/kg预防感染。将手术后饲养成活且活动自由度无明显异常的实验大鼠平均分成对照组和海洛因诱导CPP组，所有大鼠均可在实验CPP箱内自由活动。
2.2 海洛因诱导大鼠模型制备
第一阶段测试(前测)大鼠天然位置偏爱倾向，将两组大鼠放入CPP视频箱内习服3 d，任其在黑、白箱中自由停留和穿梭，每天1次，每次45 min。测试结束后筛选出黑箱偏爱的大鼠进行FrA区电极埋藏，选取饲养成活且活动自由度无明显异常的实验大鼠30只；平均分成对照组和海洛因诱导CPP组，分别放在不同的CPP视频箱内任其自由活动并记录其在黑、白箱内停留时间，以判定电极埋藏手术没有改变其黑箱偏爱的天性。第二阶段为诱导训练阶段，选大鼠非偏爱箱(白箱)作为伴药箱，将海洛因诱导组大鼠皮下注射海洛因放入白箱内，第1天0.5 mg/(kg·d)，以后每天2次，每次递增0.25 mg/kg，连续注射7 d。对照组大鼠同法皮下注射等量生理盐水。第三阶段为评价阶段。训练结束24 h后，记录两组大鼠15 min黑、白箱停留时间及其时间百分比做统计分析比较，以海洛因诱导后伴药箱停留时间有无显著延长，确定大鼠是否产生了CPP。统计分析表明(见表 1)，海洛因诱导组大鼠评价阶段所测白箱停留时间和白箱停留时间百分比，均较正常对照组同期所测数据显著增加(P＜0.01)，海洛因诱导组大鼠药物注射前后白箱停留时间及其百分比差异也具有统计学意义(P＜0.01)。从我们前期的研究结果[3]及表 1实验结果可知：伴药箱内连续注射海洛因可诱导大鼠CPP的产生。
表1
海洛因诱导组大鼠白箱停留时间及其百分比分析(2.3 大鼠FrA区自发EEG无线遥测
利用EEG无线遥测系统及条件性位置偏爱黑白箱视频系统，每天分别记录对照组和海洛因诱导CPP组FrA区各15 min EEG数据，并标注其黑、白箱停留，黑-白箱穿梭和白-黑箱穿梭四种具体行为状态。EEG采样率为500 Hz，滤波范围为0.05~50 Hz。
3 试验结果及分析
依据现代生理学理论：随意运动(如戒断大鼠的觅药)的意识起源于皮层联络区(主要在前额叶皮层)，经小脑和基底神经节编制运动计划后，再反馈至皮层躯体运动区，通过皮层-脊髓束发动随意运动。大量研究已证实，FrA与大鼠海洛因CPP或自给药行为有关[12-13]。本实验采集的FrA无线遥测EEG信号是该部位无数神经元电生理活动的总体表现，因而呈现确定系统的混沌规律，属于典型的非线性、非平稳随机过程[5]，特别是其中与觅药动机及行为有关的EEG信号，上述特点尤其明显。而样本熵的物理意义就是表示非线性动力学系统产生新信息的速率，样本熵值越小，序列自我相似性越高；样本熵值越大，序列自我相似度越低即越复杂。假设海洛因诱导位置偏爱大鼠产生了毒瘾发作，其相关皮层EEG将会发生特定序列的改变，并且这种序列改变在整个毒瘾发作期可保持高度相似性，此时样本熵值将减小，尤其是当引燃刺激出现，其毒瘾发作最强烈时(如黑-白箱穿梭觅药时)，其样本熵值将会更小。
3.1 对照组与海洛因诱导CPP组大鼠FrA区EEG信号(静态)样本熵分析
本文分别从15只对照组及15只海洛因诱导CPP组大鼠15 min遥测EEG数据中，选取了黑箱停留、黑-白箱穿梭、白箱停留、白-黑箱穿梭四种状态下记录的各20 s EEG数据，计算其FrA区EEG数据的样本熵值并求其平均值，结果如图 1所示。
图1
对照组与海洛因诱导CPP组大鼠不同行为状态下FrA区EEG样本熵分析
*
*
由图 1可知，与对照组比较，海洛因诱导CPP组大鼠样本熵显著降低(P＜0.01)，说明海洛因诱导CPP大鼠FrA区EEG发生了“觅药”或“心瘾”发作的规律性改变，这种特异性EEG序列的相似性高，随机性小，故呈现出特定的样本熵减小趋势。
进一步分析大鼠四种不同行为状态的样本熵发现，与对照组比较，海洛因诱导CPP大鼠在白-黑箱穿梭和黑箱停留状态时，FrA区EEG样本熵值无显著改变，但黑-白箱穿梭和白箱停留状态时，FrA区EEG样本熵值显著变小(P＜0.01)。表明将大鼠非嗜好的白箱作为伴药箱连续注射海洛因，已使大鼠产生了药物加场景所诱发的CPP和“心瘾”，诱发大鼠通过黑-白箱穿梭觅药，或长时间停留在白箱等待药物注射。在此状态下，海洛因诱导大鼠较之对照组FrA区神经元放电将发生显著改变，并且这种放电的序列类型可在一段时间内保持高度一致，使样本熵值降低。白-黑箱穿梭和黑箱停留属于非觅药或非药物依赖状态，其样本熵值与对照组比较无明显差异，表明大鼠FrA区EEG序列改变的随意性较大，样本熵值较高。
3.2 对照组与海洛因诱导CPP组大鼠FrA区EEG信号动态样本熵分析
为说明海洛因诱导CPP大鼠觅药动机形成和行为与FrA区EEG样本熵值改变之间的关联，我们特意从对照组及海洛因诱导CPP组13#大鼠15 min遥测FrA区EEG数据中，选取一段完整包含黑箱停留、黑-白箱穿梭、白箱停留、白-黑箱穿梭四种状态的EEG数据各100 s，其中黑箱停留、白箱停留两种状态下各为30 s，黑-白箱穿梭、白-黑箱穿梭两种状态下各为20 s(因大鼠在两种穿梭状态下的时间一般为20 s)，选取13#大鼠的原因是根据黑白箱视频记录结合柳田知司评定方法评价，其诱导CPP症状最明显。利用自编的动态样本熵程序分别计算两只大鼠在100 s时间内的动态样本熵。具体结果如图 2所示。
图2
对照组与海洛因诱导CPP组13#大鼠FrA区100 s EEG信号动态样本熵分析
Figure2.
Dynamic sample entropy analysis of EEG recorded on FrA area of 13# rats of control group and heroin-induced CPP
图 2显示13#大鼠注射海洛因前后四种行为状态下，100 s时长的EEG动态样本熵值变化曲线，药物注射前大鼠4种行为状态下FrA区EEG样本熵值变化不大，表明神经元电活动无相似规律，特异性不强。海洛因注射诱导产生CPP后，大鼠在行为对应为白箱停留的第一个30 s，行为对应为黑-白箱穿梭的最后20 s，动态样本熵数值降低，明显小于行为对应为白-黑箱穿梭状态的中间20 s，以及行为状态对应为黑箱停留的第二个30 s，说明海洛因成瘾大鼠在伴药箱停留以及黑-白箱穿梭状态下其FrA区神经元活动相似性增加，呈现出规律性的神经元放电序列改变，这种较为一致的神经元放电激发了大鼠强制性的觅药意识及行为；白箱停留时样本熵值变小可能与伴药箱场景记忆有关，从而诱发“药瘾”的精神性依赖。而黑箱停留状态及白-黑箱穿梭状态下其皮层神经元活动的规律性变弱，无毒瘾发作的特异性EEG样本熵改变。
4 结论
本研究采用位置偏爱视频系统结合EEG无线遥测技术，记录了对照组与海洛因诱导CPP组大鼠四种行为状态下FrA区EEG数据，并利用EEG样本熵对所测数据进行了处理，发现与对照组相比，海洛因诱导CPP组大鼠FrA区EEG样本熵值显著减小(P＜0.01)，表明药物加场景所诱导的海洛因依赖大鼠在黑-白箱穿梭觅药过程中，或停留在伴药箱等待药物注射状态下，FrA区出现了较为规律的特异性EEG改变，区域中神经元放电序列类型相似
引言
海洛因依赖患者强迫戒断后，多存在着强烈的觅药动机及行为，一旦引燃刺激出现就可能产生复吸，这既是海洛因成瘾的主要特征, 也是戒毒治疗的难点所在[1]。大量实验表明，海洛因诱导所产生的条件性位置偏爱(conditioned place preference，CPP)和觅药行为与大脑前额联络皮层(frontal association cortex, FrA)的神经元功能及其突触间基质蛋白有关[2]。我们先前的研究发现：海洛因依赖大鼠戒断期左侧FrA区无线遥测脑电(electroencephalogram, EEG)慢波减少、快波增加的特异性改变，可能与其觅药行为及动机形成有关[3]。Zou等[4]的研究也表明，大鼠急性吗啡用药时，其左右侧皮层EEG的δ、θ、α1、α2、β1、β2波绝对功率增加，侧叶皮层有大量的θ波，中间前额皮层EEG波变化较大。但这些研究是基于将EEG信号视作线性、平稳信号的前提而采用快速傅里叶变换等经典数字信号处理方法得出的结果。但事实上，EEG信号是脑部无数神经元电生理活动的总体表现，因而呈现确定系统的混沌规律，属于典型的非线性、非平稳随机过程[5]，特别是与觅药动机及行为有关的EEG信号中这种特点更明显。样本熵(sample entropy, SampEn)作为度量序列复杂性的统计方法，具有需要数据点数少、计算速度快以及抗噪能力强等特点，已广泛应用于睡眠[6]、癫痫[7]、脑死亡[8]、网络成瘾[9]等生理过程EEG信号处理的研究中，但药物依赖状态下EEG的样本熵处理则鲜见报道。为此，本课题组在已有研究成果的基础上，引入样本熵技术来分析海洛因诱导所产生的CPP大鼠在“瘾”表现强烈时刻的FrA区无线遥测EEG数据，以期探究海洛因诱导所产生的CPP大鼠觅药动机形成及行为与FrA区EEG样本熵值改变之间的关联。
1 基本理论的介绍
1.1 (静态)样本熵定义及算法
(静态)样本熵是由Richman等[10]提出的一种时间序列复杂性测度方法。可用SampEn(m, r, N)表示，其中m表嵌入维数，一般取m=1或2；r为相似容限，一般取r=0.1~0.25 SD(SD为原始数据的标准差)；N为数据长度即离散数据点数，为得到较小的伪差和有效的统计特性，N一般取100~5 000。对一个有N个原始数据点的EEG数据，其样本熵算法如下：
(1)按序号连续顺序组成一组m维矢量：
| $\begin{array}{l} \boldsymbol{X}\left(i \right)=\left[{\boldsymbol{x}\left(i \right), \boldsymbol{x}\left({i + 1} \right), \cdots, x\left({i + m-1} \right)} \right], i=1, \ 2, \cdots, N-m + 1 \end{array}$ |
(2)定义矢量X(i)和X(j)之间的距离d[X(i), X(j)]为两者对应元素中差值最大的一个，即：
| $\begin{array}{l} d\left[{\boldsymbol{X}\left(i \right), \boldsymbol{X}\left(j \right)} \right]=\max \left[{\boldsymbol{x}\left({i + k} \right)-\boldsymbol{x}\left({j + k} \right)} \right], \ k=0, 1, m-1 \end{array}$ |
(3)给定阈值r，对每一个i值统计X(i)和X(j)之间的距离d[X(i), X(j)]小于r的数目及此数目与距离总数N-m的比值，记作Bim，即：
| $\begin{array}{l} \boldsymbol{B}_i^m\left(r \right)=\frac{1}{{N-m}}\left\{ {d\left[{\boldsymbol{X}\left(i \right), \boldsymbol{X}\left(j \right)} \right] < r{\rm{的数目}}} \right\}, i=\ 1 \sim N-m + 1, i \ne j \end{array}$ |
(4)累加(3)中所有Bim(r)，即：
| $\boldsymbol{B}_i^m\left(r \right)=\frac{1}{{N-m + 1}}\sum\limits_{i=1}^{N-m + 1} {\boldsymbol{B}_i^m\left(r \right)} $ |
(5)将嵌入维数加1，即对于m+1点矢量，重复上述(1)~(4)，得到Bm+1(r)。
(6)上述N点离散数据序列的样本熵值理论上为
| ${\rm{sampEN}}\left({m, r} \right)=\mathop {\lim }\limits_{N \to \infty } \left\{ {-\ln \left[{{\boldsymbol{B}^{m + 1}}\left(r \right)/{\boldsymbol{B}^m}\left(r \right)} \right]} \right\}$ |
当N有限时，式(5)可表示为：
| ${\rm{sampEN}}\left({m, r} \right)=-\ln \left[{{\boldsymbol{B}^{m + 1}}\left(r \right)/{\boldsymbol{B}^m}\left(r \right)} \right]$ |
采集2.2节中海洛因诱导模型特征明显大鼠的FrA区无线遥测EEG数据，并按行为状态进行标注及分类，然后自编程序实现上述理论公式的算法，在Matlab2011a平台上计算对应(静态)样本熵。
1.2 动态样本熵定义
从上述(静态)样本熵算法理论分析可知：其算法只是对大鼠FrA区无线EEG数据中某段含N个离散数据点求值(对本课题若取N=500，即1 s时间内对应数据)，其结果当然只能反映这1 s内EEG数据的复杂度，缺乏全局性，不能反映整个测量时间段样本熵的变化过程。为此，有学者在(静态)样本熵的基础上通过引入一个时间变量t，对样本熵算法在时间轴上进行多尺度扩展，从而得到动态样本熵[11]。即对于一个时间总长度为T的时间序列s(t)，通过引入一个宽度为t′的时间窗口，窗口沿时间轴t不断移动，若起始时间为t0，则t=t0+n*t′(n为非负整数)。进入窗口的时间序列可表示为
| ${X_t}=\left[{{x_t}\left(1 \right), {x_t}\left(2 \right), \cdots, {x_t}\left(N \right)} \right], $ |
其中t=0，…，T-t′，N为t′对应的序列长度。
按式(7)扩展1.1节中(静态)样本熵的算法就可得到动态样本熵值。
2 试验设计过程
2.1 大鼠FrA区电极埋藏和分组
取经过下述2.2节海洛因诱导大鼠模型制备第一阶段测试筛选出的黑箱偏爱大鼠安放0.3 mm漆包镍铬丝电极，其左右侧FrA定位为：前囟+5 mm，矢状缝旁开2 mm，深度2.5 mm。电极埋藏后，用自凝牙科水泥连同置于头皮下组织的接地电极封闭固定，术后3 d连续肌注青霉素400 kU/kg预防感染。将手术后饲养成活且活动自由度无明显异常的实验大鼠平均分成对照组和海洛因诱导CPP组，所有大鼠均可在实验CPP箱内自由活动。
2.2 海洛因诱导大鼠模型制备
第一阶段测试(前测)大鼠天然位置偏爱倾向，将两组大鼠放入CPP视频箱内习服3 d，任其在黑、白箱中自由停留和穿梭，每天1次，每次45 min。测试结束后筛选出黑箱偏爱的大鼠进行FrA区电极埋藏，选取饲养成活且活动自由度无明显异常的实验大鼠30只；平均分成对照组和海洛因诱导CPP组，分别放在不同的CPP视频箱内任其自由活动并记录其在黑、白箱内停留时间，以判定电极埋藏手术没有改变其黑箱偏爱的天性。第二阶段为诱导训练阶段，选大鼠非偏爱箱(白箱)作为伴药箱，将海洛因诱导组大鼠皮下注射海洛因放入白箱内，第1天0.5 mg/(kg·d)，以后每天2次，每次递增0.25 mg/kg，连续注射7 d。对照组大鼠同法皮下注射等量生理盐水。第三阶段为评价阶段。训练结束24 h后，记录两组大鼠15 min黑、白箱停留时间及其时间百分比做统计分析比较，以海洛因诱导后伴药箱停留时间有无显著延长，确定大鼠是否产生了CPP。统计分析表明(见表 1)，海洛因诱导组大鼠评价阶段所测白箱停留时间和白箱停留时间百分比，均较正常对照组同期所测数据显著增加(P＜0.01)，海洛因诱导组大鼠药物注射前后白箱停留时间及其百分比差异也具有统计学意义(P＜0.01)。从我们前期的研究结果[3]及表 1实验结果可知：伴药箱内连续注射海洛因可诱导大鼠CPP的产生。
表1
海洛因诱导组大鼠白箱停留时间及其百分比分析(2.3 大鼠FrA区自发EEG无线遥测
利用EEG无线遥测系统及条件性位置偏爱黑白箱视频系统，每天分别记录对照组和海洛因诱导CPP组FrA区各15 min EEG数据，并标注其黑、白箱停留，黑-白箱穿梭和白-黑箱穿梭四种具体行为状态。EEG采样率为500 Hz，滤波范围为0.05~50 Hz。
3 试验结果及分析
依据现代生理学理论：随意运动(如戒断大鼠的觅药)的意识起源于皮层联络区(主要在前额叶皮层)，经小脑和基底神经节编制运动计划后，再反馈至皮层躯体运动区，通过皮层-脊髓束发动随意运动。大量研究已证实，FrA与大鼠海洛因CPP或自给药行为有关[12-13]。本实验采集的FrA无线遥测EEG信号是该部位无数神经元电生理活动的总体表现，因而呈现确定系统的混沌规律，属于典型的非线性、非平稳随机过程[5]，特别是其中与觅药动机及行为有关的EEG信号，上述特点尤其明显。而样本熵的物理意义就是表示非线性动力学系统产生新信息的速率，样本熵值越小，序列自我相似性越高；样本熵值越大，序列自我相似度越低即越复杂。假设海洛因诱导位置偏爱大鼠产生了毒瘾发作，其相关皮层EEG将会发生特定序列的改变，并且这种序列改变在整个毒瘾发作期可保持高度相似性，此时样本熵值将减小，尤其是当引燃刺激出现，其毒瘾发作最强烈时(如黑-白箱穿梭觅药时)，其样本熵值将会更小。
3.1 对照组与海洛因诱导CPP组大鼠FrA区EEG信号(静态)样本熵分析
本文分别从15只对照组及15只海洛因诱导CPP组大鼠15 min遥测EEG数据中，选取了黑箱停留、黑-白箱穿梭、白箱停留、白-黑箱穿梭四种状态下记录的各20 s EEG数据，计算其FrA区EEG数据的样本熵值并求其平均值，结果如图 1所示。
图1
对照组与海洛因诱导CPP组大鼠不同行为状态下FrA区EEG样本熵分析
*
*
由图 1可知，与对照组比较，海洛因诱导CPP组大鼠样本熵显著降低(P＜0.01)，说明海洛因诱导CPP大鼠FrA区EEG发生了“觅药”或“心瘾”发作的规律性改变，这种特异性EEG序列的相似性高，随机性小，故呈现出特定的样本熵减小趋势。
进一步分析大鼠四种不同行为状态的样本熵发现，与对照组比较，海洛因诱导CPP大鼠在白-黑箱穿梭和黑箱停留状态时，FrA区EEG样本熵值无显著改变，但黑-白箱穿梭和白箱停留状态时，FrA区EEG样本熵值显著变小(P＜0.01)。表明将大鼠非嗜好的白箱作为伴药箱连续注射海洛因，已使大鼠产生了药物加场景所诱发的CPP和“心瘾”，诱发大鼠通过黑-白箱穿梭觅药，或长时间停留在白箱等待药物注射。在此状态下，海洛因诱导大鼠较之对照组FrA区神经元放电将发生显著改变，并且这种放电的序列类型可在一段时间内保持高度一致，使样本熵值降低。白-黑箱穿梭和黑箱停留属于非觅药或非药物依赖状态，其样本熵值与对照组比较无明显差异，表明大鼠FrA区EEG序列改变的随意性较大，样本熵值较高。
3.2 对照组与海洛因诱导CPP组大鼠FrA区EEG信号动态样本熵分析
为说明海洛因诱导CPP大鼠觅药动机形成和行为与FrA区EEG样本熵值改变之间的关联，我们特意从对照组及海洛因诱导CPP组13#大鼠15 min遥测FrA区EEG数据中，选取一段完整包含黑箱停留、黑-白箱穿梭、白箱停留、白-黑箱穿梭四种状态的EEG数据各100 s，其中黑箱停留、白箱停留两种状态下各为30 s，黑-白箱穿梭、白-黑箱穿梭两种状态下各为20 s(因大鼠在两种穿梭状态下的时间一般为20 s)，选取13#大鼠的原因是根据黑白箱视频记录结合柳田知司评定方法评价，其诱导CPP症状最明显。利用自编的动态样本熵程序分别计算两只大鼠在100 s时间内的动态样本熵。具体结果如图 2所示。
图2
对照组与海洛因诱导CPP组13#大鼠FrA区100 s EEG信号动态样本熵分析
Figure2.
Dynamic sample entropy analysis of EEG recorded on FrA area of 13# rats of control group and heroin-induced CPP
图 2显示13#大鼠注射海洛因前后四种行为状态下，100 s时长的EEG动态样本熵值变化曲线，药物注射前大鼠4种行为状态下FrA区EEG样本熵值变化不大，表明神经元电活动无相似规律，特异性不强。海洛因注射诱导产生CPP后，大鼠在行为对应为白箱停留的第一个30 s，行为对应为黑-白箱穿梭的最后20 s，动态样本熵数值降低，明显小于行为对应为白-黑箱穿梭状态的中间20 s，以及行为状态对应为黑箱停留的第二个30 s，说明海洛因成瘾大鼠在伴药箱停留以及黑-白箱穿梭状态下其FrA区神经元活动相似性增加，呈现出规律性的神经元放电序列改变，这种较为一致的神经元放电激发了大鼠强制性的觅药意识及行为；白箱停留时样本熵值变小可能与伴药箱场景记忆有关，从而诱发“药瘾”的精神性依赖。而黑箱停留状态及白-黑箱穿梭状态下其皮层神经元活动的规律性变弱，无毒瘾发作的特异性EEG样本熵改变。
4 结论
本研究采用位置偏爱视频系统结合EEG无线遥测技术，记录了对照组与海洛因诱导CPP组大鼠四种行为状态下FrA区EEG数据，并利用EEG样本熵对所测数据进行了处理，发现与对照组相比，海洛因诱导CPP组大鼠FrA区EEG样本熵值显著减小(P＜0.01)，表明药物加场景所诱导的海洛因依赖大鼠在黑-白箱穿梭觅药过程中，或停留在伴药箱等待药物注射状态下，FrA区出现了较为规律的特异性EEG改变，区域中神经元放电序列类型相似
