磁刺激不同經絡穴位α波腦皮質功能網絡的研究①

尹寧，代揚楊，徐桂芝

1.河北工業大學，省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津市300130；2.河北工業大學，河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津市300130

中醫穴位刺激療法是幾千年歷史文化長河沉淀下的精粹，廣泛應用于多種疾病的康復治療。針刺是比較常用的方式，臨床效果明顯，但由于其療效依賴于醫師手法和經驗，不易量化，作用機制尚不明確，嚴重制約了其國際化推廣應用。磁刺激作為一種安全有效的無創治療手段，已經在神經類疾病康復領域得到認可。將現代磁刺激手段與傳統穴位理論相結合，有助于實現可量化的國際規范化技術體系，應用前景廣闊。

現代醫學理論認為，生物機體的所有器官功能活動都是在大腦相應腦功能區支配下完成的。大腦作為從穴位刺激點到靶向臟腑器官之間的重要傳輸機構，對于神經信息整合和調制具有重要作用。腦功能網絡可以描述空間上分離的神經元功能活動的時間相關性[1-2]，為穴位刺激作用機理研究[3-5]提供了可視化依據。功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)具有空間分辨率高的優點，適合研究穴位刺激的持續性效應，但其時間分辨率較低，在研究穴位刺激即時效應方面受到一定局限性。研究者基于fMRI分析針刺足三里穴的大腦功能網絡，結果表明腦網絡在即時性針刺時連接稀疏，在持續性針刺時連接緊密[6]。腦電圖(electroencephalogram,EEG)能夠彌補fMRI時間分辨率不足的缺點，且設備簡單、價格便宜、易于操作，通過增加采樣電極數目能適當提高空間分辨率。

借助高時間分辨率腦電圖影像學技術，研究穴位刺激作用途徑中的大腦整合環節，有助于揭示“穴位-大腦-器官”之間的內在作用機理[7-8]。目前從復雜網絡角度開展的穴位作用機理研究通常采用頭皮電極所測區域直接作為網絡節點[9-11]。頭皮電極測量的EEG信號是大腦皮質多個源信號在頭皮記錄點疊加的結果，電極之間的網絡連接不能反映大腦內部激活神經元所在腦功能區之間的交互關系。因此，構建腦皮質功能網絡顯得尤為必要。已有研究者構建并分析了睜眼與閉眼狀態下α波腦電對應的大腦皮質功能連接網絡，其結果與基于fMRI構建的靜息態腦功能網絡一致[12]。

穴位特異性是指導臨床取穴的基礎和依據。諸多研究者利用f MRI對針刺單個穴位、不同經絡[13]以及同經絡穴位[14]等方面探討了穴位刺激引起的腦活動激活區域[15]。大量研究結果認為穴位與大腦之間存在特異性的對應關系，但也有少數學者持反對觀點。因此，穴位特異性國內外研究尚未得到一致結論[16]。

本文基于現代磁刺激手段和高時間分辨率腦電圖影像學技術，選取位于不同經絡的兩個穴位作為研究對象，將傳統穴位理論、信號處理、電磁場數值分析與復雜網絡理論相結合，通過對頭皮腦電信號溯源，建立能直接反映實際腦功能區連接情況的大腦皮質功能網絡，并對穴位刺激作用途徑中大腦功能整合和網絡特性進行深入分析，為穴位功能相對特異性理論提供新的佐證。

1 對象與方法

1.1 實驗數據與預處理

1.1.1 實驗對象

本實驗招募河北工業大學健康在讀研究生14例作為實驗被試，其中男性8例，女性6例，年齡21~25歲，右利手，無任何精神病史，矯正視力正常。實驗前均被告知實驗注意事項，并簽署知情同意書。

1.1.2 實驗設備及參數選擇

本實驗采用Rapid2磁刺激儀(英國MAGSTIM公司)，并采用重復脈沖刺激模式對每個被試所選穴位進行刺激。選用“8”字形線圈(型號9925-00)，外徑7 cm，內徑5.3 cm，刺激深度約2~3 cm，聚焦性能較好，適合局部刺激，滿足穴位刺激的聚焦性要求。刺激時將聚焦中心正對刺激穴位，放置在與皮膚距離約0.5 cm的位置。刺激強度為磁刺激儀最大輸出強度的80%，即1.76 T，刺激頻率1 Hz，刺激時長60 s。實驗的參數選擇滿足安全要求。采用128導腦電記錄分析系統(美國NEUROSCAN公司)同步采集各狀態的64導腦電數據，采樣頻率1000 Hz。

1.1.3 實驗數據采集及預處理

本實驗于2017年10月至11月期間在河北工業大學腦電實驗室完成。實驗環境安靜，室溫22℃，實驗時間為晚上7~9點。為了減少眨眼引起的眼電干擾，要求被試在整個實驗過程中保持閉眼。此外，要求被試佩戴耳塞，盡可能減少儀器在實驗中產生的聲音干擾。待被試情緒放松，處于安靜穩定的狀態后即刻開始實驗。主要實驗流程如下。

①采集靜息態60 s的腦電數據。

②以左側光明穴(GB37)作為刺激目標，采集刺激時60 s的腦電數據。該穴歸屬于足少陽膽經，位于小腿外側，外踝尖上5寸。

③讓被試休息30 min。

④選取左側內關穴(PC6)作為刺激目標，采集刺激時60 s的腦電數據。該穴歸屬于手厥陰心包經，位于前臂正中，腕橫紋上2寸，橈側屈腕肌腱與掌長肌腱之間。

對采集的腦電數據進行離線預處理，主要包括：0.5~40 Hz帶通濾波，去除眼電、肌電等偽跡，剔除數據中電壓幅值絕對值大于100μV的數據段，轉換為平均參考，數據分段，基線校正等。

1.2 α波腦皮質腦功能網絡構建

腦電波按照頻率可以劃分為α(8~13 Hz)、β(14~30 Hz)、θ(4~7 Hz)、δ(1~3 Hz)波等。正常人清醒狀態下的腦電波以α波為主，并且α波能夠反映大腦的機能狀態。α波大腦皮質功能網絡構建的關鍵在于怎樣定義網絡的節點、怎樣選取適當的閾值來構建網絡的連接邊。

1.2.1 定義網絡的節點

首先對預處理數據進行組獨立成分分析(group independent component analysis,Group ICA)，并選取與腦活動相關的成分。然后采用標準低分辨率腦電磁斷層成像(standardized low-resolution brain electromagnetic tomography,sLORETA)算法進行逆運算，把在大腦皮質布羅德曼區(Brodmann area,BA)求得的具有最大電流密度之處當作所選腦電獨立成分在大腦皮質對應源的所在位置，即網絡的節點。

1.2.1.1 Group ICA

獨立成分分析(independent component analysis,ICA)是近年來發展起來的一種數據處理方法，可以從混合信號中分離出統計意義上相互獨立的源信號，在通信、圖像處理、生物醫學等領域得到廣泛應用[17]。但ICA自身存在一些缺陷，如成分的個數難以預知、成分輸出的順序和成分的方差不確定等，給研究者帶來許多不便。一般來說，ICA只適用于分析單個被試的數據。Group ICA將其擴展到可同時對多個被試的數據進行分析且能建立多個被試成分之間的對應性[18]。 Across-subject averaging、 Subject-wise Group ICA以及Row-wise Group ICA是三種常用的Group ICA，其中Row-wise Group ICA常用于研究單一特定刺激下被試腦區激活的情況。公式如下。

其中Xn是一個K×V的矩陣，表示第n個被試的腦電數據，K為電極數，V為時間點數。

1.2.1.2 sLORETA

sLORETA是一種腦電逆問題溯源方法，可以估計出腦電信號在大腦皮質對應的信號源位置、方向和強度，并求得大腦電流密度分布[12,19-20]。利用該算法進行腦電溯源的主要原理可以表示為：

其中，φ是腦電信號，K是m×n(n>>m)維前向模型系數，J是n×l維腦電信號源電流密度強度。由于n>>m，(2)式無法求得唯一解。

引入代價函數：

其中，α≥0是正則化參數。

代入給定的K，φ和α值，取最小代價方程，即可得到唯一解：

其中，T=KT[KKT+αH]+，H=I-IIT/ITI，I是單位矩陣，I是單位向量。

1.2.2 設定閾值與網絡的連接邊

所選頻段的信息交互關系可以由對應頻段功率譜之間的互相關系數來體現，并反映腦網絡的連接特性。本文對每個被試所選獨立成分進行短時傅里葉變換得到其功率譜，然后對α波段功率譜進行互相關分析得到其連接矩陣，最后對所有被試同種狀態的連接矩陣進行平均，得到對應的平均連接矩陣。在構建腦功能網絡時，閾值的選擇對整個網絡有著重要的影響。本文在選取閾值時首先分別計算了保證每個狀態構建出的網絡不存在孤立節點的最大閾值，然后為了對比不同狀態網絡的異同，選取所有狀態閾值中的最小值T作為最終閾值構建各自的腦功能網絡。當平均連接矩陣中的元素大于閾值T時則認為對應節點間存在連接邊，反之則無。

1.3 腦皮質功能網絡分析

在復雜網絡分析中，研究者常利用度、聚類系數、最短路徑長度、全局效率、“小世界”屬性等參數來對復雜網絡的拓撲結構進行描述。本文著重選擇度和聚類系數來對所建立的α波皮質腦功能網絡做出評價。

1.3.1 節點度

一個節點的度定義為同該節點直接相連的節點的個數。度在復雜網絡分析中是一種非常簡單但很重要的性質，反映了節點鄰居的個數。度越大，表示節點的連接邊越多，在網絡中的地位越重要。網絡平均度表示為：

其中，N為節點個數，Di為節點i的度。

1.3.2 聚類系數

一個節點的聚類系數表示為與該節點相連的節點之間存在連接邊的可能。它反映了復雜網絡中節點的聚集程度，是另一個度量網絡屬性的重要參數。節點i的聚類系數Ci等于與之相連的ki個節點之間的實際連接邊的總數同與該節點相連的ki個節點間可能存在連接邊的最大值之比。具體公式如下。

其中，Ei是與節點i相連的ki個節點之間的實際連接邊的總數；Mi是與該節點相連的ki個節點間可能存在的連接邊的最大值。

2 結果

為了消除電極之間信號干擾對相關性計算的影響，本文對預處理后的腦電數據進行Row-wise Group ICA處理并選出與腦活動相關的成分。所選腦電成分經過sLORETA溯源，定位在大腦皮質電流密度最大的位置。見圖1。所選腦電成分經過短時傅里葉變換得到其功率譜。見圖2。通過時頻分析發現，所選腦電成分與α波具有強耦合關系。所有被試同種狀態所選腦電成分α波段功率譜之間的平均互相關系數矩陣即該狀態下的平均連接矩陣。見圖3。

在確定網絡的節點和連接邊以后，構建了靜息態、刺激光明穴及刺激內關穴的大腦皮質功能網絡。見圖4。各狀態腦功能網絡在各個BA區的節點個數和平均度的分析結果見圖5、圖6。靜息態、刺激光明穴及刺激內關穴對應的大腦皮質功能網絡節點分別分布在20、19及17個BA區。

圖1 腦電成分溯源

圖2 腦電成分功率譜

圖3 平均連接矩陣

圖4 α波大腦皮質功能網絡

圖5 各BA區節點個數

圖6 各BA區節點的平均度

與靜息態相比，刺激光明穴時，BA1、BA2、BA3、BA5、BA7等與軀體感覺感知處理相關的腦區在網絡中的連接增多。其中，BA1區節點度增大，BA2區不再存在節點，BA3區節點度增大，BA5區節點增多，BA7區節點度增大且節點增多。BA4、BA6和BA8等與運動有關的腦區在網絡中的連接增多。其中，BA4區是運動激活的主要來源區，該區節點度減小但節點增多，BA6與BA8區兩者共同構成前運動皮質，BA6區節點減少但節點度增大，BA8區節點度增大。在BA9、BA10、BA11等與思維、情緒和認知等高級活動有關的腦區中，BA9區節點度稍減小，BA10區節點增多，BA11區節點度減小，但總體上這些腦區在腦功能網絡中的連接變化不明顯。BA18、BA19等參與視覺信息處理的腦區在網絡中的連接總體上增多。其中，BA18區節點增多，BA19區節點度增大。與聽覺有關的BA21區節點度稍減小但節點增多，該區在腦功能網絡中連接增多。左側半腦BA22區出現了一個節點，該區與生成和理解單個單詞有關，該區節點的連接邊較少。與執行語義和文字產生有關的BA45區不再存在節點。BA46區與維持注意力和管理工作記憶有關，該區節點度減小，在腦功能網絡中連接減少。BA47區與句法和字義處理有關，該區節點增多且節點度增大，在腦功能網絡中的連接增多。

與靜息態相比，刺激內關穴時，BA1和BA2區不再存在節點，BA3區節點度增大，BA5區節點度減小但節點增多、BA7區節點度增大且節點增多，與軀體感覺感知與處理相關的腦區在網絡中連接總體上增多。BA6區節點減少，BA8區節點度減小，BA6與BA8區構成的前運動皮質在腦功能網絡中連接減少，而運動激活的主要來源BA4區不再存在節點，與運動相關的腦區在網絡中的連接總體上減少。BA9區節點度增大且節點增多、BA10區節點度增大且節點增多，BA11區節點度減小。總體上與思維、情緒和認知等高級活動有關的腦區在網絡中的連接增多。BA18區節點度增大且節點增多，BA19區節點度增大，與視覺相關的腦區在網絡中連接增多。與聽覺有關的BA21區節點減少且節點度減小，該區在網絡中連接減少。與維持注意力和管理工作記憶有關的BA46區節點度減小，該區在腦功能網絡中連接減少。與句法、字義處理有關的BA47區節點增多且節點度增大，該區在網絡中連接增多。

網絡節點的聚類系數和度之間的關系見圖7。各狀態腦功能網絡節點的平均度分別為22.6、24.5、22.9，因此取22作為度值分界點，當節點的度大于等于22就認為該節點位于較高的連接度區，否則就位于較低的連接度區。由圖7結果可知，各狀態節點的聚類系數在較高連接度區域，隨著度增大節點聚類系數降低，表明在較高連接度區域度低的節點容易聚集成團。

圖7 度與聚類系數

3 討論

光明穴位于足少陽膽經，可以用于治療目疾與下肢痿痹[21-22]。管永清等[23]基于fMRI發現電針刺激光明穴主要激活了BA18、BA19等視覺相關腦區，王虹[24]基于f MRI發現針刺光明穴激活了視覺和運動相關皮質。本文對磁刺激光明穴的EEG信號進行溯源，定位出的結果中包含視覺和運動相關腦區。通過進一步對比刺激光明穴與靜息態的腦網絡拓撲結構可知，與運動相關的BA4、BA6與BA8腦區，以及與視覺相關的BA18和BA19腦區在腦功能網絡中的連接增加，說明運動與視覺功能在刺激光明穴時得到促進，這與光明穴的作用相符。

內關穴可以用于寧心安神、降壓安眠，刺激時與運動相關的腦區BA4、BA6及BA8區在腦功能網絡中連接減少，與維持注意力和管理工作記憶有關的BA46區在網絡中連接也減少，可見運動、注意力、工作記憶等功能在刺激內關穴時受到抑制，這將有利于人保持安靜與鎮定[25]。內關穴位于手闕陰心包經，臨床醫學實踐表明該經絡上的穴位可用于治療精神神志方面的疾病。近年來國內外研究一致認為額葉、顳葉損傷，額葉功能低下或激活程度不夠與精神神志疾病的發病密切相關[26]。付平等[27]研究了電針刺激正常人與阿爾茨海默病患者內關穴時的fMRI數據，研究結果表明正常組與患者組的額葉與顳葉被不同程度激活。本文網絡拓撲結構分析結果顯示，刺激內關穴時位于額葉的與思維、情緒和認知等高級活動相關的腦區在網絡中的連接增多，說明額葉區的腦功能活動得到促進，或許可以為刺激該經絡穴位能治療精神神志性疾病提供佐證。

由刺激光明穴、內關穴引起大腦功能網絡拓撲結構變化的分析結果還可知，刺激光明穴與刺激內關穴時，與軀體感覺相關的腦區在腦功能網絡中的連接總體上均增多。本文推測該現象是大腦對外界刺激引起軀體感覺的應激反應，而BA2區均不再存在節點，可能與BA2區主要處理來自關節囊感受器的沖動有關[28]。刺激兩個穴位時，與視覺相關的腦區在網絡中連接均增多。此外，刺激時與維持注意力和管理工作記憶有關的腦區在腦功能網絡中的連接均減少，但刺激內關穴時網絡連接減少更明顯。光明穴和內關穴是位于不同經絡上的兩個穴位，通過不同的神經傳導通路對大腦施加影響，但是從腦電信號溯源結果來看，刺激兩個穴位時激活了一些相同的BA區[29]，其中也存在著一些看似與穴位作用無明顯關系的腦區，這與海馬在經典條件反射任務中激活的情況類似，從側面說明大腦是通過多個腦區相互配合來完成各種神經活動的[30]。

本文基于EEG與磁刺激技術，利用組獨立成分分析、標準低分辨率腦電磁斷層成像及復雜網絡分析方法，構建并分析磁刺激位于不同經絡的光明穴與內關穴時的腦皮質功能網絡。研究結果表明，磁刺激位于不同經絡的光明穴和內關穴會引起與穴位自身功效基本相符的腦網絡變化，即運動、視覺相關腦區在網絡中的連接在磁刺激光明穴時增多；運動、注意力及工作記憶相關腦區在網絡中的連接在磁刺激內關穴時減少，位于額葉的思維、情緒和認知相關腦區在網絡中的連接在磁刺激內關穴時增多。同時，磁刺激不同經絡上的穴位也能引起一些腦功能網絡拓撲結構的相似變化，說明刺激不同經絡穴位對大腦產生的影響并非完全不同。本文通過研究位于不同經絡的光明穴和內關穴臨床作用功效相對應的腦皮質功能網絡拓撲結構表征，嘗試為穴位特異性研究提供新的佐證，在穴位刺激療法作用功效的可視化評價方面具有臨床應用前景。