基于腦電圖的不同頻率磁刺激內(nèi)關(guān)穴腦網(wǎng)絡(luò)分析

于洪麗 徐桂芝 付靈弟 翟 越

(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130)

基于腦電圖的不同頻率磁刺激內(nèi)關(guān)穴腦網(wǎng)絡(luò)分析

于洪麗*徐桂芝 付靈弟 翟 越

(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130)

磁刺激和電刺激在離子水平的作用機(jī)制是相似的。相比之下，磁刺激技術(shù)具有無痛、可刺激深部組織等優(yōu)點(diǎn)。不同的刺激參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的機(jī)體效應(yīng)，同時(shí)所引發(fā)的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制也不同。采用不同頻率(0.5和3 Hz)的脈沖磁場(chǎng)刺激內(nèi)關(guān)穴，采集刺激前、后的32導(dǎo)腦電信號(hào)，計(jì)算各通道腦電信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)。針對(duì)正、負(fù)相關(guān)系數(shù)的不同分布特點(diǎn)，采用不同的閾值，分別對(duì)正、負(fù)相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行二值化處理。以腦電通道作為所構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建并分析不同狀態(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)，探討頻率參數(shù)對(duì)磁刺激內(nèi)關(guān)穴腦功能區(qū)活動(dòng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.5和3 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴后較刺激前，大腦額葉、顳葉和中央?yún)^(qū)內(nèi)部以及腦區(qū)之間的正相關(guān)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。同時(shí)，0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴后，額葉與枕葉以及顳葉與枕葉之間的大尺度連接增強(qiáng)，且具有負(fù)相關(guān)特性。這一研究結(jié)果為磁刺激頻率的選取提供一定的依據(jù)。

磁刺激；頻率；腦功能網(wǎng)絡(luò)；穴位

引言

電針(electro acupuncture, EA)和經(jīng)皮穴位電刺激(transcutaneous electric acupoint stimulation, TEAS)由于可以精確改變刺激參數(shù)，目前已大量應(yīng)用于臨床[1-3]。EA和TEAS的基本原理在于：外周神經(jīng)是傳遞穴位信號(hào)的重要載體，而人體可興奮細(xì)胞不僅可以利用針刺來刺激，還可以利用時(shí)變電磁場(chǎng)加以刺激[4]。磁刺激與電刺激在離子水平的作用機(jī)制是相似的，但磁刺激在腦神經(jīng)刺激以及深部神經(jīng)刺激中具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)：首先，磁場(chǎng)很容易透過皮膚和骨骼到達(dá)深層組織，從而對(duì)深部神經(jīng)組織進(jìn)行無創(chuàng)的刺激；其次，磁刺激線圈不需要與受試者直接接觸，所以安全性比電刺激要好[5-7]。

不同的刺激參數(shù)(比如刺激強(qiáng)度、頻率、時(shí)長(zhǎng)等)會(huì)產(chǎn)生不同的機(jī)體效應(yīng)，同時(shí)所引發(fā)的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制可能也不同。在臨床當(dāng)中，常利用改變電針的各種參數(shù)來模擬不同的針刺手法。在諸多參數(shù)中，頻率被認(rèn)為是比較重要的參數(shù)之一[8]。目前，關(guān)于不同頻率電(磁)刺激穴位的作用效應(yīng)及其機(jī)理研究尚無確定性結(jié)論。Huang等人指出，低頻電針促進(jìn)內(nèi)嗎啡肽的釋放，發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用，而高頻電針無效[9]。Lin等人發(fā)現(xiàn)，高頻和低頻電針刺激均具有鎮(zhèn)痛作用[10]。Lee等人發(fā)現(xiàn)，高頻電針比低頻電針更能引起自主神經(jīng)系統(tǒng)的興奮，但在焦感迷走神經(jīng)平衡方面，高頻和低頻刺激無差異性[11]。

人腦是一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，它通過不同腦功能區(qū)之間的相互協(xié)調(diào)來完成一系列工作[12]。在腦功能網(wǎng)絡(luò)研究中，腦電圖(electroencephalography, EEG) 技術(shù)較功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI) 技術(shù)具有更好的時(shí)間分辨率，同時(shí)多導(dǎo)腦電采集技術(shù)在一定程度上改善了EEG的空間分辨率[13-14]。

本研究將現(xiàn)代磁刺激技術(shù)與傳統(tǒng)中醫(yī)穴位相結(jié)合，采用不同頻率的脈沖磁場(chǎng)刺激人體內(nèi)關(guān)穴，采集了刺激前、后的腦電信號(hào)，通過對(duì)比分析不同狀態(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)來研究不同頻率磁刺激穴位對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

共有13名健康被試(8男，5女)參加了實(shí)驗(yàn)，年齡20～30歲，均為右利手。實(shí)驗(yàn)前已告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并簽署了知情同意書。所有被試均不存在任何精神和神經(jīng)類疾病，體內(nèi)無植入器件。

在天津市北辰中醫(yī)院專家的指導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)選取內(nèi)關(guān)穴作為靶點(diǎn)刺激。磁刺激設(shè)備為英國(guó)Magstim Rapid2經(jīng)顱磁刺激儀，8字形線圈。刺激強(qiáng)度為設(shè)備最大輸出強(qiáng)度(2.2 T)的80%，刺激頻率為0.5和3 Hz。在刺激頻率選擇過程中，兼顧人體安全性和磁刺激設(shè)備本身的限制，防止出現(xiàn)因過熱而中止工作的情況，同時(shí)考慮了受試者心理、生理等因素。刺激序列為連續(xù)脈沖，每種頻率刺激均為2 min。為避免影響，同一被試的兩次實(shí)驗(yàn)之間間隔1個(gè)星期。磁刺激實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

圖1 磁刺激內(nèi)關(guān)穴實(shí)驗(yàn)及所用設(shè)備。(a)磁刺激內(nèi)關(guān)穴；(b)實(shí)驗(yàn)用磁刺激儀Fig. 1 Experiment of magnetic stimulation at PC6 acupoint and its device. (a) Experiment of magnetic stimulation at PC6 acupoint; (b) Magnetic stimulation system

腦電采集設(shè)備為美國(guó)Neuroscan的EEG/ERP系統(tǒng)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采集的32導(dǎo)腦電數(shù)據(jù)，均勻分布在大腦的額葉、顳葉、頂葉和枕葉區(qū)域，位置分布如圖3所示。數(shù)據(jù)采樣頻率為1 000 Hz，放大倍數(shù)為500，每組腦電數(shù)據(jù)(包括刺激前和不同頻率(0.5/3 Hz)刺激后數(shù)據(jù))各2 min。

圖2 腦電采集及其所用設(shè)備。(a)腦電采集實(shí)驗(yàn)；(b)實(shí)驗(yàn)用腦電采集設(shè)備Fig.2 Experiment of EEG signal recording and its device. (a) Experiment of EEG signal recording; (b) EEG recording device

圖3 腦電數(shù)據(jù)采集的導(dǎo)聯(lián)位置分布Fig.3 Scalp positions from which EEG data was recorded

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括基線校正，去除偽跡和眼電等干擾以及數(shù)字濾波(0.5 Hz～40 Hz)等，該過程利用NeuroScan腦電采集與分析專業(yè)軟件完成。

1.3 處理方法

1.3.1 皮爾森相關(guān)系數(shù)算法

皮爾森相關(guān)系數(shù)用來度量?jī)勺兞恐g的相關(guān)程度，可以更好地描述腦區(qū)與神經(jīng)元之間的關(guān)系[15]，其定義如下：

(1)

1.3.2 腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

腦網(wǎng)絡(luò)分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、功能網(wǎng)絡(luò)和因效網(wǎng)絡(luò)。其中，腦功能網(wǎng)絡(luò)描述腦網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)或各個(gè)腦區(qū)之間的統(tǒng)計(jì)性連接關(guān)系，是目前揭示腦內(nèi)信息加工機(jī)制的重要方式?；谀X電的腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要包含3個(gè)方面：關(guān)聯(lián)矩陣二值化閾值的確定、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的選取和連接邊的定義。

二值化閾值的選取直接影響腦網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本研究根據(jù)正負(fù)相關(guān)系數(shù)矩陣的不同分布特點(diǎn)，采用了不同的閾值選取方法。在正相關(guān)系數(shù)矩陣二值化過程中，閾值選取以刺激前腦電數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，遵循保證網(wǎng)絡(luò)完整性(即保證網(wǎng)絡(luò)恰好無孤立節(jié)點(diǎn)或孤立部分)的原則[16]，選取了0.69作為關(guān)聯(lián)矩陣二值化的閾值。在負(fù)相關(guān)研究中，由于負(fù)相關(guān)系數(shù)值較小，為了突出不同狀態(tài)下相關(guān)系數(shù)的差異性，選擇-0.05作為二值化閾值。

腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的選取和連接邊的定義是基于圖論的思想，而圖論是描述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的常用工具。在圖論中，一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)集合構(gòu)成：節(jié)點(diǎn)集合和邊集合，節(jié)點(diǎn)集合表示網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，邊集合表示網(wǎng)絡(luò)邊的總數(shù)，最后得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖[17]。本研究將每個(gè)電極通道作為要構(gòu)建的腦功能網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，具體位置如圖3所示。將各通道腦電信號(hào)之間的平均相關(guān)系數(shù)矩陣作為節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣，對(duì)該矩陣進(jìn)行二值化后形成鄰接矩陣，當(dāng)矩陣元素為1時(shí)表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間存在連接邊，反之為0則無連接。

1.3.3 小世界屬性的判定

具有較大聚類系數(shù)和較短路徑長(zhǎng)度的網(wǎng)絡(luò)稱為“小世界”網(wǎng)絡(luò)。目前常用的衡量網(wǎng)絡(luò)是否具有小世界屬性的標(biāo)準(zhǔn)是由Humphries等人提出的，具體定義如下：

(2)

(3)

式中，Cnet和Lnet表示所構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)和特征路徑長(zhǎng)度，Crand和Lrand表示相同尺度隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)和特征路徑長(zhǎng)度。

當(dāng)σ=γ/λ>1時(shí)，說明所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)具有“小世界”屬性[18]。

2 結(jié)果

13名被試的腦電數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理之后，計(jì)算各導(dǎo)聯(lián)腦電信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，求平均。不同狀態(tài)下的平均相關(guān)系數(shù)矩陣如圖4所示?？梢钥闯?，不同狀態(tài)下的相關(guān)系數(shù)矩陣分布具有相似性，距離越近相關(guān)系數(shù)值越大，距離越遠(yuǎn)相關(guān)系數(shù)越小。距離較遠(yuǎn)的腦區(qū)之間的相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，即負(fù)相關(guān)。

圖4 不同狀態(tài)下的腦電序列相關(guān)系數(shù)矩陣。(a)刺激前；(b)0.5 Hz刺激后；(c)3 Hz刺激后Fig. 4 Correlation coefficient matrices of EEG sequences in different states. (a) before-stimulation state; (b) after-0.5 Hz stimulation state; (c) after-3 Hz stimulation state

2.1 基于正相關(guān)系數(shù)的腦功能網(wǎng)絡(luò)

對(duì)不同狀態(tài)下的正相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行二值化處理，閾值為0.69，所構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。可以看出，0.5Hz刺激和3Hz刺激后的腦網(wǎng)絡(luò)連接較刺激之前，在額葉、顳葉和中央?yún)^(qū)內(nèi)部以及腦區(qū)之間出現(xiàn)連接增加的趨勢(shì)。

筆者計(jì)算了上述腦功能網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯煌瑺顟B(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)均滿足σ>1，說明它們都具有小世界屬性。

2.2 基于負(fù)相關(guān)系數(shù)的腦功能網(wǎng)絡(luò)

本研究對(duì)負(fù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)下的負(fù)相關(guān)系數(shù)分布存在明顯的差異性，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴后，腦電序列負(fù)相關(guān)系數(shù)均小于刺激前的狀態(tài)，說明負(fù)相關(guān)現(xiàn)象增強(qiáng)；而3 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴后，負(fù)相關(guān)現(xiàn)象呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。將0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴后負(fù)相關(guān)增強(qiáng)的現(xiàn)象用網(wǎng)絡(luò)圖顯示，如圖7所示。負(fù)相關(guān)系數(shù)一般較小(-0.25～0)，在構(gòu)建負(fù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)時(shí)為了突出刺激前后相關(guān)系數(shù)的差異性，用0.5 Hz刺激后的相關(guān)系數(shù)減去刺激前的相關(guān)系數(shù)，將所得矩陣進(jìn)行二值化處理。在閾值選取過程中，考慮負(fù)相關(guān)系數(shù)值的分布特點(diǎn)，選取了-0.05作為二值化閾值。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，相比刺激之前，0.5 Hz刺激后大腦額葉區(qū)域與枕葉區(qū)域、顳葉與枕葉區(qū)域之間的連接增加，相關(guān)性增強(qiáng)。但要注意的是，這是一種負(fù)相關(guān)。

表1 不同狀態(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)

圖5 基于正相關(guān)系數(shù)的不同狀態(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)。(a)刺激前；(b)0.5 Hz刺激后；(c)3 Hz刺激后Fig. 5 Brain functional networks at different stages based on positive correlation coefficient. (a) Before-stimulation state; (b) After-0.5 Hz stimulation state; (c) After-3 Hz stimulation state

圖6 不同狀態(tài)下不同導(dǎo)聯(lián)與FP1導(dǎo)聯(lián)之間的負(fù)相關(guān)系數(shù)Fig.6 Negtive correlation coefficients between FP1 and other electrodes at different stages

圖7 0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴后的負(fù)相關(guān)腦功能網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Negative-correlation brain functional network induced by 0.5 Hz magnetic stimulation at Neiguan acupuncture point

3 討論和結(jié)論

在離子水平上，磁刺激與電刺激具有相似的物理機(jī)制。但磁刺激與電刺激相比，在腦神經(jīng)刺激以及深部神經(jīng)刺激中具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。刺激參數(shù)是決定電磁刺激作用的重要因素，選擇不同的刺激參數(shù)可產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。本研究采用了磁刺激技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電刺激作用于人體內(nèi)關(guān)穴，通過采集刺激前、后的腦電信號(hào)，構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)，探討了刺激頻率對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響。

課題組自2008年以來，開展了磁刺激穴位作用效應(yīng)及機(jī)制的相關(guān)研究[19-20]。研究發(fā)現(xiàn)，不同頻率(1和3 Hz)刺激時(shí)(刺激的同時(shí)采集腦電信號(hào))的腦功能網(wǎng)絡(luò)較刺激之前均有所變化，且不同頻率刺激的腦功能網(wǎng)絡(luò)之間存在差異性[21]。在此基礎(chǔ)上，偏重分析和解決以下兩個(gè)問題：一是考慮到磁刺激穴位可能具有后效應(yīng)，著重研究了磁刺激前和刺激后(刺激結(jié)束后采集腦電信號(hào))的腦功能網(wǎng)絡(luò)差異性；二是實(shí)驗(yàn)采用英國(guó)Magstim經(jīng)顱磁刺激儀，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分類，刺激頻率小于1 Hz屬于低頻刺激，高于1 Hz屬于高頻刺激。筆者通過查閱文獻(xiàn)，同時(shí)結(jié)合被試自身感受，選擇了低頻0.5 Hz、高頻3 Hz兩種頻率，研究了高、低兩種不同頻率磁刺激穴位對(duì)腦功能影響的差異性。

基于正相關(guān)系數(shù)的分析，首先構(gòu)建了不同狀態(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)圖中可以看出，0.5、3 Hz刺激后的腦網(wǎng)絡(luò)連接較刺激之前，在額葉、顳葉和中央?yún)^(qū)的內(nèi)部以及腦區(qū)之間的連接均出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。該結(jié)果說明，磁刺激內(nèi)關(guān)穴后，以上腦功能區(qū)之間的聯(lián)系增加，但具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

圖論可以很好地描述復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于圖論的方法，已有研究表明靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)具有小世界屬性[22]。針對(duì)這一特性，本研究探討了不同磁刺激參數(shù)對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)小世界屬性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論在刺激前狀態(tài)，還是在不同頻率磁刺激內(nèi)關(guān)穴后，腦網(wǎng)絡(luò)均具有“小世界”屬性，說明磁刺激不會(huì)改變腦功能網(wǎng)絡(luò)的“小世界”基本屬性。

比較不同狀態(tài)下的負(fù)相關(guān)系數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)0.5 Hz磁刺激穴位后，不同腦區(qū)之間出現(xiàn)負(fù)相關(guān)增強(qiáng)的現(xiàn)象。用0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴，額葉與枕葉以及顳葉與枕葉之間的大尺度連接增強(qiáng)，且具有負(fù)相關(guān)特性，即一個(gè)區(qū)域的興奮性增強(qiáng)的同時(shí)另一個(gè)區(qū)域興奮性減弱。該現(xiàn)象可能與磁刺激內(nèi)關(guān)穴的作用效應(yīng)有關(guān)。結(jié)合之前的研究結(jié)果[23]，可以認(rèn)為，在0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴時(shí)，額葉和顳葉區(qū)域活動(dòng)增強(qiáng)，枕葉區(qū)域活動(dòng)減弱。由于腦電序列空間分辨率受限，所以該現(xiàn)象與內(nèi)關(guān)穴作用效應(yīng)之間的特異性聯(lián)系仍需進(jìn)一步研究。

磁刺激參數(shù)精確可調(diào)，克服了傳統(tǒng)手動(dòng)針灸參數(shù)不可量化的缺點(diǎn)，其中頻率是重要的參數(shù)之一。本研究采用不同頻率的磁場(chǎng)脈沖刺激內(nèi)關(guān)穴，通過對(duì)比分析不同狀態(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)差異性，探討了頻率對(duì)磁刺激穴位作用效應(yīng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.5和3 Hz刺激后的腦網(wǎng)絡(luò)連接較刺激之前，在額葉、顳葉和中央?yún)^(qū)的內(nèi)部以及腦區(qū)之間正相關(guān)趨勢(shì)增加。同時(shí)，0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴引起不同腦區(qū)之間大尺度連接的增加，且具有負(fù)相關(guān)特性。該研究為磁刺激頻率參數(shù)的選取提供了一定的依據(jù)。

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Brain Functional Networks under Different-Frequency Magnetic Stimulation at Neiguan Acupoint Based on EEG

Yu Hongli*Xu Guizhi Fu Lingdi Zhai Yue

(SchoolofElectricalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

magnetic stimulation;frequency;brain functional network; acupuncture point

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 06.016

2015-12-30， 錄用日期:2016-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(31400844，51377045)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)基金(20131317120007)

R318

D

0258-8021(2016) 06-0749-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: yhlzyn@126.com