非線性動力學分析在重復經顱磁刺激對阿爾茨海默病大鼠學習記憶能力改善方面的應用*

崔桂雪，閆海亮，張紅星，于毅△

（1.涿州市醫院，河北 涿州072750；2.新鄉醫學院，河南 新鄉453003）

1 引 言

隨著中國人口老齡化日益嚴重，老年癡呆患者人數不斷上升。老年癡呆又稱阿爾茨海默病（alzheimer disease，AD），AD患者的主要癥狀是進行性認知功能障礙和記憶損害［1-2］。目前關于AD的藥物治療效果并不理想，雖然已有基因和免疫療法［3-5］，但其尚處于試驗階段，因此一些學者將目光投向特異性好、經濟成本低的物理療法，即重復經顱磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）［6-7］。腦電圖（EEG）通過頭皮電極記錄大腦神經細胞的電生理活動，利用工程學手段對EEG信號進行分析，可以得出一些客觀的病理診斷信息［8］。傳統的腦電處理方法有著自身的缺陷，近年來出現了腦電信號的非線性動力學分析，能更好的反應腦電信號的本質［9］。LZ復雜度作為非線性動力學常用指標之一，具有突出的優點，其算法簡單、抗干擾和抗噪聲能力強，對隨機、確定以及混沌信號均可以使用，只需要使用較少的數據就可以得到較穩定的結果［10］。

2 研究對象

同批次健康成年雄性（sprague-dawley，SD）大鼠100只飼養于溫度22±2℃，濕度55%～56%，光照條件維持晝夜節律12 h明暗交替，給予大鼠自由飲水及攝食，進入實驗時體重約為220～250 g。

3 實驗方法

3.1 AD模型制備

大鼠雙側海馬注射經36 h孵育的Aβ1-42制備AD大鼠模型。參考Paxinos＆Watson的方法選取大鼠雙側海馬，于前囟向后3.2 mm，中線旁開2.5 mm處。術中注意無菌操作，以降低動物死亡率。7 d后進行Morrs水迷宮實驗驗證模型。

3.2 rTMS干預方法

造模結束14 d后進行rTMS干預，rTMS“8”字形線圈置于（rTMS＋AD）組大鼠頭部上方，線圈平面與大鼠頭皮緊貼平行；AD組和正常組進行偽刺激，將線圈翻轉向上，使其接受無脈沖作用于頭部的偽刺激。治療安排：將（rTMS＋AD）組、AD組和正常組放置于相同的環境，連續14 d，每天上午進行rTMS和偽刺激，各項刺激參數見表1。

表1 r TMS刺激參數Table 1 r TMS stimulation parameters

3.3 行為學指標觀察

磁刺激干預結束后，三組大鼠每組隨機挑選8只進行Morris水迷宮實驗以檢測各組大鼠空間學習記憶能力的差異，包括定位航行實驗和空間探索實驗，前者用于測試大鼠的學習能力，后者用于測試大鼠的記憶能力。

3.4 腦電指標測量

3.4.1 電極制作與固定 腦電采集電極所用材料（見圖1a），具體制作步驟：（1）將 PCB板與20針Samtec接口焊接到一起。（2）將8根銅絲一端擰上專用小螺絲釘，另一端焊接到PCB板上。（3）使用萬用表檢測各個通道的導通性。（4）鋪膠封裝電極。

圖1 a.制作電極所用材料；b.腦電采集Fig 1a.Electrode material；b.EEG acquisition

電極固定：（1）將稱重之后的大鼠使用10%水合氯醛（10 g/100 mL）進行麻醉。（2）固定大鼠于立體定位儀上，內耳連線比上門齒水平高0.5 mm，剪去其頭部皮毛，除去顱骨軟組織，暴露出顱骨，使其前后囟清晰可見。（3）使用立體定位儀上的千分尺確定電極坐標，即額葉定位坐標：前囟后1.5 mm，中線旁2.0 mm；顳葉定位坐標：前囟后3.0 mm，中線旁3.5 mm；頂葉定位坐標：前囟后3.5 mm，中線旁1.0 mm；枕葉定位坐標：前囟后5.0 mm，中線旁3.2 mm。所有電極下降深度為0.5 mm，參考電極置于嗅球上方，接地電極置于人字縫后方3.0 mm，中線旁0 mm處。（4）將電極制作步驟中的8個螺絲固定于做標記處，使用牙科水泥封合暴露的顱骨。

3.4.2 腦電采集 待大鼠麻醉清醒后，利用Cerebus 64通道神經電生理信號記錄系統連續一周采集大鼠腦電（見圖1b），采樣頻率為1 KHz，陷波器為50 min，每只大鼠每次記錄8 min（分4次，每次2 min）。

3.5 腦電信號處理與統計分析

用3sigma方法剔除具有明顯較大誤差的數據組，各個通道腦電經0～30 Hz帶通濾波之后，利用AR模型功率譜估計算法計算各個通道δ（1～3 Hz）、θ（4～7 Hz）、α（8～13 Hz）和 β（14～30 Hz）頻帶內的能量，求取每組大鼠每次采集腦電各個頻帶內的平均能量值作為最終的各個頻帶能量值；使用二值粗粒化方法求每組大鼠各個通道的δ、θ、α和β頻帶的LZ復雜度，求出每組大鼠每次采集腦電各個頻帶內的平均LZ復雜度值作為最終各個頻帶的LZ復雜度值。其中利用3sigma法剔除較大誤差數據在Excel中完成，帶通濾波、求功率譜和LZ復雜度在MATLAB軟件中編程實現，以及使用spss19.0進行獨立樣本t檢驗檢測各組之間的差異。

4 實驗結果

4.1 水迷宮實驗結果

AD組較正常組逃避潛伏期延長，距離平臺平均距離變大，差異有統計學意義（P＜0.05）；（rTMS＋AD）組較AD組逃避潛伏期縮短，距離平臺平均距離變小，差異有統計學意義（P＜0.05），見圖2和表2。

表2 水迷宮實驗結果統計分析Table 2 Statistical analysis of the results of water maze experiment

圖2 水迷宮實驗結果Fig 2 Results of water maze experiment

4.2 腦電波功率譜結果

見圖3和表3，AD組腦電中低頻成分（delta＋theta）和高頻成分（alpha＋beta）的能量比值均較正常組大鼠增大，其中21通道左顳葉、25通道左頂葉、26通道右頂葉以及30通道右額葉的差異有統計學意義，18通道左枕葉和22通道右顳葉的差別無統計學意義（P＜0.05）；（rTMS＋AD）組腦電中低頻成分（delta＋theta）和高頻成分（alpha＋beta）的能量比值在18通道左枕葉、21通道左顳葉、22通道右顳葉以及30通道右額葉較AD組減小，在25通道左頂葉和26通道右頂葉較AD組增大，其中只有21通道左顳葉差異有統計學意義（P＜0.05）。

表3 腦電功率譜統計分析Table 3 Statistical analysis of EEG power spectrum

圖3 大鼠功率譜對比分析圖Fig 3 Comparison Analysis of power spectrum

4.3 腦電波非線性動力學分析-LZ復雜度分析

見圖4和表4，AD組各通道腦電LZ復雜度較正常組降低，且左顳葉、左頂葉、右額葉、右顳葉、右頂葉和左枕葉的降低幅度依次為52.31%、45.16%、29.23%、23.94%、19.67%和 11.86%，差異均有統計學意義（P＜0.05）；（rTMS＋AD）組各通道腦電LZ復雜度較AD組升高，且左顳葉、右額葉、右頂葉、左頂葉、右顳葉和左枕葉的升高幅度依次為64.52%、41.30%、36.73%、29.41%、27.78%和21.15%，差異均有統計學意義（P＜0.05）。

表4 大鼠腦電LZ復雜度的統計分析Table 4 Statistical analysis of EEG LZ complexity

圖4 大鼠腦電LZ復雜度對比分析圖Fig 4 Comparison of EEG LZ complexity

5 討論

通過對比三組大鼠的腦電信號功率譜結果可得，AD組大鼠腦電中低頻成分較正常組增高，與國內外相關文獻中研究結果相同。（rTMS＋AD）組大鼠左枕葉、左顳葉、右顳葉以及額葉腦電中低頻成分較AD組減低，而左頂葉和右頂葉腦電中低頻成分較AD組增高。文獻中表明乙酰膽堿和基底前腦維持著腦電的非同步性，由此引發的功能障礙不能抑制皮質慢振蕩引發的慢節律，導致快波成分減少和慢波成分的增加［12］。

LZ復雜度表征一個時間序列里出現新模式的速率，復雜度值越高，也說明動力行為學越復雜，腦電信號中含有的信息量越多［13］。本研究中AD組各個通道腦電信號LZ復雜度較正常組降低（見圖4），減小幅度為12.4% ～52.2%，說明AD組腦電復雜度呈彌漫性減低，各個通道減小幅度不一，且與記憶相關的左顳葉減低幅度最大。AD組腦電復雜度降低說明AD大鼠腦電中包涵的信息量減少，其對周圍環境的變化做出的反應變得簡單。大鼠水迷宮實驗顯示AD組大鼠逃避潛伏期較正常組延長，距離平臺距離較正常組增加，說明AD組大鼠學習記憶能力減低。水迷宮實驗結果與LZ復雜度結果符合。

（rTMS＋AD）組大鼠各個通道腦電信號的LZ復雜度較AD組均有上升，上升幅度從9.4%～63.2%。其中左顳葉上升幅度最大63.2%，（rTMS＋AD）組大鼠腦電中復雜度的上升說明rTMS使AD大鼠對周圍事物的反應變得復雜，其腦電信號中包涵的信息量就增加。目前，rTMS對刺激大腦皮質的作用機制還不完全清楚，但主要研究結果均提示rTMS有改變大腦皮質興奮性，提高大腦皮質神經元細胞可塑性和連接性，改變靶位皮質血流和代謝的作用［14-15］。大鼠水迷宮實驗結果顯示（rTMS＋AD）組較AD組逃避潛伏期縮短，距離平臺距離減小，說明經過rTMS之后的AD大鼠學習記憶能力提高［16-17］。

由以上可知，rTMS可以改善AD大鼠學習記憶能力，經磁刺激之后的AD大鼠各通道腦電信號LZ復雜度統一增加，功率譜變化4個通道低頻成分較AD組增加，2個通道低頻成分較AD組減低，變化結果不統一；AD組各通道腦電復雜度較正常組降低，且功率譜中低頻成分較正常組增多，復雜度和功率譜變化均比較統一。因此，LZ復雜度更適合用于診斷AD以及評價rTMS對AD大鼠學習記憶能力的改善作用。與臨床上常用的神經心理學量表相比，LZ復雜度更加客觀、準確，值得在臨床上推廣使用。