基于經顱交流電刺激的腦功能網絡研究

董國亞，石靜，楊慧，田森，于洪麗

（河北工業大學電氣工程學院，天津300401）

基于經顱交流電刺激的腦功能網絡研究

董國亞，石靜，楊慧，田森，于洪麗

（河北工業大學電氣工程學院，天津300401）

經顱交流電刺激（transcranial Alternating Current Stimulation，tACS）是一種通過在頭皮施加微弱電流的非侵入性電刺激技術，已有研究證實經顱交流電刺激會對大腦的全局屬性產生影響.本文使用腦電相位同步方法構建了刺激組和對照組刺激前、后靜息態腦網絡，并計算聚類系數、平均度、特征路徑長度3種網絡參數，來研究大腦各區域間的相關性.分析發現3種網絡參數中，只有刺激組的特征路徑長度在刺激后有明顯下降，而對照組沒有出現這種現象.特征路徑長度的大小代表了大腦各區域間信息傳遞速度的快慢，說明經顱交流電刺激可以增強大腦各區域間的關聯性，加快各區域的信息傳遞速度.

經顱交流電刺激；腦功能網絡；網絡參數；特征路徑長度

0 引言

基于腦電圖、腦磁圖、功能核磁共振的腦功能網絡研究結果揭示了大腦解剖網絡結構及功能網絡結構的特征，證明復雜腦網絡研究理論是分析大腦結構和功能的一種有效工具[1-2].通過在頭皮進行無損的經顱磁刺激和經顱電刺激正在成為腦認知和康復的研究熱點之一.有研究顯示，3 Hz的經顱磁刺激可以改變大腦功能網絡的平均度、平均聚類系數和全局效率，刺激后，這3種參數均比刺激前有顯著升高，并且刺激后平均路徑長度顯著降低，說明經顱刺激可以對大腦神經網絡產生影響[3].經顱直流電刺激作用于大腦后，大腦功能網絡也會受到影響[4-5].例如，Polanía等人[5]將經顱直流電刺激作用于被試的頭部運動區，結果發現刺激后的大腦半球的前運動區、運動區以及感覺運動區的功能連接都有明顯增加，說明經顱直流電刺激可以影響到大腦神經網絡.

經顱交流電刺激作為一種非侵入式的刺激技術，目前受到了很多研究者的關注[6-7].為了探究經顱交流電刺激對大腦神經功能網絡的影響，本文檢測了經顱交流電刺激前、后的腦電信號，并進行了腦網絡的分析研究.

1 實驗方法

選擇15名在校大學生作為被試，其中男生有8名，女生有7名，被試在實驗階段身體狀態良好。腦電信號采集時使用的是NeuroScan公司的腦電記錄系統，以及按國際標準10～20系統擴展的64導電極帽，選用其中52導腦電信號，并按照電極帽從前額葉到枕葉的方向對使用的電極進行編號，電極編號范圍是1到52，對應了大腦從前到后的大部分電極。實驗中用到的刺激電極是粘膠電極，大小為2 cm×2 cm，將粘膠電極放置在由10～20系統擴展后的64導電極帽的Cz電極和Oz電極位置.在實驗中，設置刺激儀器輸出正弦波形電流.

電刺激實驗的具體流程如圖1所示，首先對被試進行2 min的個人alpha頻率（Individual alpha Frequency，IAF）測定，然后進行5 min的閾值采集，以確定對該被試采用的刺激電流強度。首先采集5 min刺激前的靜息態的腦電數據，接著進行20 min的電流刺激（或偽刺激），刺激結束后，采集10 min靜息態數據.

圖1 實驗流程圖Fig.1 The experimental flow

為了保證被試在刺激前、后都能保證清醒狀態，在刺激前、后的過程中都伴有聽覺警覺刺激.圖中有灰色底紋的區域是伴有聽覺警覺實驗的，該實驗是指在進行靜息態腦電數據采集以及電刺激過程中，被試會聽到由500 Hz（占80%）和1 000 Hz（占20%）組成的聲音片段.該聽覺警覺刺激不會對靜息態腦電數據的采集造成影響.整個采集過程結束后，對被試進行問卷調查.

實驗結束后，對采集到的刺激前、后的靜息態腦電信號（包括對照組和刺激組）進行預處理，包括濾波、去偽跡等處理后，用于后面關聯矩陣的構建.

2 分析方法原理

目前有多種線性和非線性方法可以用來量化導聯關聯性[8-9].不同的度量方法各有特點，例如Pearson相關是衡量兩個變量間相互關系的最簡單的線性算法；而相位同步方法是非線性算法，適合檢測兩個信號之間的相位關系.本文選擇使用相位同步法進行網絡構建，以便更好的分析不同通道信號間的同步關系.

基于Hilbert變換的相位同步算法的計算過程中要把窄帶信號分解為幅度和相位兩部分，分析的是兩個信號之間的相位信息關系.該方法適用于分析兩個振蕩波形之間的關系，在腦電信號的分析中被廣泛應用.

對于單獨的EEG信號x（t），其解析信號可以定義為

3 腦網絡構建及網絡參數分析結果

3.1 關聯矩陣構建

截取刺激前、后的靜息態數據各128 s，均分為16段，每段時長8 s，使用相位同步法計算刺激前后靜息態關聯矩陣，得到的結果如圖2所示.圖2中a）、b）對應對照組刺激前、刺激后的關聯矩陣，c）對應對照組刺激前、后關聯矩陣的差值矩陣；d）、e）對應刺激組刺激前、刺激后的關聯矩陣，f）對應刺激組刺激前后關聯矩陣的差值矩陣.

圖2 相位同步算法構建的關聯矩陣Fig.2 The incidence matrix under phase synchronization

由圖2 c）和圖2 f）可以看到，刺激后的對照組和刺激組相位同步指數都呈現了增大的現象.對照組2 c）中橫坐標編號40～52對應縱坐標30～52之間區域的同步指數增大現象比其他區域明顯，而刺激組2 f）中各個區域都出現了同步指數增大現象.刺激組同步指數的增大現象比對照組更明顯，說明電刺激使各通道間的同步性增強，因此同步性指數出現增大現象.并且從圖2 f）中可以看到，電刺激后，所有區域的同步指數都出現了增大，說明電刺激對大腦的影響是全局的.圖2 f）中編號20～30通道間的同步性指數增大現象最明顯，說明刺激后，中央運動區受到的影響最明顯.

3.2 網絡參數計算結果

選取合適的閾值[10]在腦功能網絡構建中占有很重要的地位，本研究中閾值選取的原則是：計算出網絡中所有節點的度的均值即平均度來確定閾值.一般來說平均度k的取值范圍是3～10，有些研究中k的取值方法是取k＞2lnN，其中N為網絡總的節點數.在本研究中，選取了52導的腦電數據，因此網絡節點數N為52.選取k＞2lnN≈8，獲得所有樣本k≥8的最大閾值T1，然后將k的值設為10，得到最小閾值T2，此時閾值T的取值范圍為T2≤T≤T1.在T的取值范圍內設置合適的步長，分別取值構建二值化矩陣，并計算不同閾值下的各類網絡參數.

圖3 相位同步法靜息態網絡參數隨閾值變化結果Fig.3 Changes of resting state network parameters through phase synchronization with change of threshold

對相位同步法計算得到的靜息態關聯矩陣進行處理，當k=8時，T=0.61；當k=10時，T=0.53，因此閾值取值范圍是[0.53∶0.6]，以0.02為步長，構建閾值分別取0.53、0.55、0.57、0.59、0.61時的二值矩陣，并計算相應的網絡參數.得到靜息態對照組和刺激組刺激前后網絡參數的對比結果如圖3所示.圖中標注為“pre”的為刺激前數據，標注為“post”的為刺激后數據.對照組和刺激組3種網絡參數的變化趨勢一致，從圖3中可以發現，對照組和刺激組聚類系數隨著閾值增大而降低，且刺激后聚類系數都大于刺激前；而平均度隨著閾值增大而降低，且刺激后平均度的值也比刺激前略大；特征路徑長度的大小在刺激后都小于刺激前.

從圖3 f）可以看出，刺激組的特征路徑長度在刺激后有明顯下降，整體小于刺激前.而特征路徑長度的大小代表了各節點間信息傳遞速度的快慢，說明刺激組在刺激后，各通道間的信息傳遞速度加快了，這與關聯矩陣結果分析中相位同步指數的增大是相對應的.從圖3 c）可以看到，對照組的特征路徑長度也出現了下降現象，并且隨著閾值增大，下降幅度也逐漸增大，但整體的下降幅度都小于刺激組，這說明電刺激對特征路徑長度產生了更顯著影響.

4 討論

本文使用了相位同步算法構建關聯矩陣，研究發現電刺激后大腦各區域間的同步性增強.通過計算3種網絡參數發現，3種網絡參數在刺激前、后的變化趨勢是一致的；刺激組的特征路徑長度在刺激后有明顯的整體減小，說明電刺激使得大腦各區域間的聯系更加緊密了.綜上所述，經顱交流電刺激可以增強大腦各區域間的同步性，加快各區域的信息傳遞速度.

雖然從連接矩陣圖來看，電刺激使得大腦各通道間同步性有所提升，但網絡參數分析卻顯示，除特征路徑長度在刺激后有明顯的整體減小，聚類系數和平均度在刺激前、后沒有顯著差異.另外在本課題中僅使用了非線性算法中的相位同步法構建關聯矩陣，使用方法比較單一，所以結果也會有些片面，因此，在進一步的研究中可以使用多種算法構建關聯矩陣，分析刺激組和對照組刺激前、后靜息態腦網絡的變化，通過多種分析方法對網絡參數進行分析，進一步探討電刺激對腦功能網絡產生影響的作用機制.

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[責任編輯 代俊秋]

The study of brain network based on transcranial Alternating Current Stimulation

DONG Guoya,SHI Jing,YANG Hui,TIAN Sen,YU Hongli
（School of Electrical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

Transcranial Alternating Current Stimulation is a non-invasive stimulation technique in which a weak current is applied across the scalp.Related studies have proved it can influence the brain global properties.In this paper,brain signal phase synchronization was used to construct the resting state brain network pre and post stimulation of control and stimulation group,three network parameters including Clustering coefficient,Average degree and Characteristic path length were analysed to research the correlation between different brain regions.Results showed that only Characteristic path length of stimulation group decreased after stimulation,but control group had no such result.Characteristic path length represents the speed of information transmission between different regions of the brain,thus showing that transcranial alternating current stimulation could increase the correlation between different brain regions,which,in turn,enhance the speed of information transmission among different regions.

transcranial Alternating Current Stimulation;brain function network;network parameters;Characteristic path length

R318

A

1007-2373（2017）02-0006-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.02.002

2016-12-05

國家自然科學基金（31400844）

董國亞（1971-），女，副教授，博士，dongguoya_hebut@163.com.通訊作者：于洪麗（1979-），女，副教授.