磁刺激不同经络穴位α波脑皮质功能网络的研究①

尹宁，代扬杨，徐桂芝

1.河北工业大学，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津市300130；2.河北工业大学，河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津市300130

中医穴位刺激疗法是几千年历史文化长河沉淀下的精粹，广泛应用于多种疾病的康复治疗。针刺是比较常用的方式，临床效果明显，但由于其疗效依赖于医师手法和经验，不易量化，作用机制尚不明确，严重制约了其国际化推广应用。磁刺激作为一种安全有效的无创治疗手段，已经在神经类疾病康复领域得到认可。将现代磁刺激手段与传统穴位理论相结合，有助于实现可量化的国际规范化技术体系，应用前景广阔。

现代医学理论认为，生物机体的所有器官功能活动都是在大脑相应脑功能区支配下完成的。大脑作为从穴位刺激点到靶向脏腑器官之间的重要传输机构，对于神经信息整合和调制具有重要作用。脑功能网络可以描述空间上分离的神经元功能活动的时间相关性[1-2]，为穴位刺激作用机理研究[3-5]提供了可视化依据。功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)具有空间分辨率高的优点，适合研究穴位刺激的持续性效应，但其时间分辨率较低，在研究穴位刺激即时效应方面受到一定局限性。研究者基于fMRI分析针刺足三里穴的大脑功能网络，结果表明脑网络在即时性针刺时连接稀疏，在持续性针刺时连接紧密[6]。脑电图(electroencephalogram,EEG)能够弥补fMRI时间分辨率不足的缺点，且设备简单、价格便宜、易于操作，通过增加采样电极数目能适当提高空间分辨率。

借助高时间分辨率脑电图影像学技术，研究穴位刺激作用途径中的大脑整合环节，有助于揭示“穴位-大脑-器官”之间的内在作用机理[7-8]。目前从复杂网络角度开展的穴位作用机理研究通常采用头皮电极所测区域直接作为网络节点[9-11]。头皮电极测量的EEG信号是大脑皮质多个源信号在头皮记录点叠加的结果，电极之间的网络连接不能反映大脑内部激活神经元所在脑功能区之间的交互关系。因此，构建脑皮质功能网络显得尤为必要。已有研究者构建并分析了睁眼与闭眼状态下α波脑电对应的大脑皮质功能连接网络，其结果与基于fMRI构建的静息态脑功能网络一致[12]。

穴位特异性是指导临床取穴的基础和依据。诸多研究者利用f MRI对针刺单个穴位、不同经络[13]以及同经络穴位[14]等方面探讨了穴位刺激引起的脑活动激活区域[15]。大量研究结果认为穴位与大脑之间存在特异性的对应关系，但也有少数学者持反对观点。因此，穴位特异性国内外研究尚未得到一致结论[16]。

本文基于现代磁刺激手段和高时间分辨率脑电图影像学技术，选取位于不同经络的两个穴位作为研究对象，将传统穴位理论、信号处理、电磁场数值分析与复杂网络理论相结合，通过对头皮脑电信号溯源，建立能直接反映实际脑功能区连接情况的大脑皮质功能网络，并对穴位刺激作用途径中大脑功能整合和网络特性进行深入分析，为穴位功能相对特异性理论提供新的佐证。

1 对象与方法

1.1 实验数据与预处理

1.1.1 实验对象

本实验招募河北工业大学健康在读研究生14例作为实验被试，其中男性8例，女性6例，年龄21~25岁，右利手，无任何精神病史，矫正视力正常。实验前均被告知实验注意事项，并签署知情同意书。

1.1.2 实验设备及参数选择

本实验采用Rapid2磁刺激仪(英国MAGSTIM公司)，并采用重复脉冲刺激模式对每个被试所选穴位进行刺激。选用“8”字形线圈(型号9925-00)，外径7 cm，内径5.3 cm，刺激深度约2~3 cm，聚焦性能较好，适合局部刺激，满足穴位刺激的聚焦性要求。刺激时将聚焦中心正对刺激穴位，放置在与皮肤距离约0.5 cm的位置。刺激强度为磁刺激仪最大输出强度的80%，即1.76 T，刺激频率1 Hz，刺激时长60 s。实验的参数选择满足安全要求。采用128导脑电记录分析系统(美国NEUROSCAN公司)同步采集各状态的64导脑电数据，采样频率1000 Hz。

1.1.3 实验数据采集及预处理

本实验于2017年10月至11月期间在河北工业大学脑电实验室完成。实验环境安静，室温22℃，实验时间为晚上7~9点。为了减少眨眼引起的眼电干扰，要求被试在整个实验过程中保持闭眼。此外，要求被试佩戴耳塞，尽可能减少仪器在实验中产生的声音干扰。待被试情绪放松，处于安静稳定的状态后即刻开始实验。主要实验流程如下。

①采集静息态60 s的脑电数据。

②以左侧光明穴(GB37)作为刺激目标，采集刺激时60 s的脑电数据。该穴归属于足少阳胆经，位于小腿外侧，外踝尖上5寸。

③让被试休息30 min。

④选取左侧内关穴(PC6)作为刺激目标，采集刺激时60 s的脑电数据。该穴归属于手厥阴心包经，位于前臂正中，腕横纹上2寸，桡侧屈腕肌腱与掌长肌腱之间。

对采集的脑电数据进行离线预处理，主要包括：0.5~40 Hz带通滤波，去除眼电、肌电等伪迹，剔除数据中电压幅值绝对值大于100μV的数据段，转换为平均参考，数据分段，基线校正等。

1.2 α波脑皮质脑功能网络构建

脑电波按照频率可以划分为α(8~13 Hz)、β(14~30 Hz)、θ(4~7 Hz)、δ(1~3 Hz)波等。正常人清醒状态下的脑电波以α波为主，并且α波能够反映大脑的机能状态。α波大脑皮质功能网络构建的关键在于怎样定义网络的节点、怎样选取适当的阈值来构建网络的连接边。

1.2.1 定义网络的节点

首先对预处理数据进行组独立成分分析(group independent component analysis,Group ICA)，并选取与脑活动相关的成分。然后采用标准低分辨率脑电磁断层成像(standardized low-resolution brain electromagnetic tomography,sLORETA)算法进行逆运算，把在大脑皮质布罗德曼区(Brodmann area,BA)求得的具有最大电流密度之处当作所选脑电独立成分在大脑皮质对应源的所在位置，即网络的节点。

1.2.1.1 Group ICA

独立成分分析(independent component analysis,ICA)是近年来发展起来的一种数据处理方法，可以从混合信号中分离出统计意义上相互独立的源信号，在通信、图像处理、生物医学等领域得到广泛应用[17]。但ICA自身存在一些缺陷，如成分的个数难以预知、成分输出的顺序和成分的方差不确定等，给研究者带来许多不便。一般来说，ICA只适用于分析单个被试的数据。Group ICA将其扩展到可同时对多个被试的数据进行分析且能建立多个被试成分之间的对应性[18]。 Across-subject averaging、 Subject-wise Group ICA以及Row-wise Group ICA是三种常用的Group ICA，其中Row-wise Group ICA常用于研究单一特定刺激下被试脑区激活的情况。公式如下。

其中Xn是一个K×V的矩阵，表示第n个被试的脑电数据，K为电极数，V为时间点数。

1.2.1.2 sLORETA

sLORETA是一种脑电逆问题溯源方法，可以估计出脑电信号在大脑皮质对应的信号源位置、方向和强度，并求得大脑电流密度分布[12,19-20]。利用该算法进行脑电溯源的主要原理可以表示为：

其中，φ是脑电信号，K是m×n(n>>m)维前向模型系数，J是n×l维脑电信号源电流密度强度。由于n>>m，(2)式无法求得唯一解。

引入代价函数：

其中，α≥0是正则化参数。

代入给定的K，φ和α值，取最小代价方程，即可得到唯一解：

其中，T=KT[KKT+αH]+，H=I-IIT/ITI，I是单位矩阵，I是单位向量。

1.2.2 设定阈值与网络的连接边

所选频段的信息交互关系可以由对应频段功率谱之间的互相关系数来体现，并反映脑网络的连接特性。本文对每个被试所选独立成分进行短时傅里叶变换得到其功率谱，然后对α波段功率谱进行互相关分析得到其连接矩阵，最后对所有被试同种状态的连接矩阵进行平均，得到对应的平均连接矩阵。在构建脑功能网络时，阈值的选择对整个网络有着重要的影响。本文在选取阈值时首先分别计算了保证每个状态构建出的网络不存在孤立节点的最大阈值，然后为了对比不同状态网络的异同，选取所有状态阈值中的最小值T作为最终阈值构建各自的脑功能网络。当平均连接矩阵中的元素大于阈值T时则认为对应节点间存在连接边，反之则无。

1.3 脑皮质功能网络分析

在复杂网络分析中，研究者常利用度、聚类系数、最短路径长度、全局效率、“小世界”属性等参数来对复杂网络的拓扑结构进行描述。本文着重选择度和聚类系数来对所建立的α波皮质脑功能网络做出评价。

1.3.1 节点度

一个节点的度定义为同该节点直接相连的节点的个数。度在复杂网络分析中是一种非常简单但很重要的性质，反映了节点邻居的个数。度越大，表示节点的连接边越多，在网络中的地位越重要。网络平均度表示为：

其中，N为节点个数，Di为节点i的度。

1.3.2 聚类系数

一个节点的聚类系数表示为与该节点相连的节点之间存在连接边的可能。它反映了复杂网络中节点的聚集程度，是另一个度量网络属性的重要参数。节点i的聚类系数Ci等于与之相连的ki个节点之间的实际连接边的总数同与该节点相连的ki个节点间可能存在连接边的最大值之比。具体公式如下。

其中，Ei是与节点i相连的ki个节点之间的实际连接边的总数；Mi是与该节点相连的ki个节点间可能存在的连接边的最大值。

2 结果

为了消除电极之间信号干扰对相关性计算的影响，本文对预处理后的脑电数据进行Row-wise Group ICA处理并选出与脑活动相关的成分。所选脑电成分经过sLORETA溯源，定位在大脑皮质电流密度最大的位置。见图1。所选脑电成分经过短时傅里叶变换得到其功率谱。见图2。通过时频分析发现，所选脑电成分与α波具有强耦合关系。所有被试同种状态所选脑电成分α波段功率谱之间的平均互相关系数矩阵即该状态下的平均连接矩阵。见图3。

在确定网络的节点和连接边以后，构建了静息态、刺激光明穴及刺激内关穴的大脑皮质功能网络。见图4。各状态脑功能网络在各个BA区的节点个数和平均度的分析结果见图5、图6。静息态、刺激光明穴及刺激内关穴对应的大脑皮质功能网络节点分别分布在20、19及17个BA区。

图1 脑电成分溯源

图2 脑电成分功率谱

图3 平均连接矩阵

图4 α波大脑皮质功能网络

图5 各BA区节点个数

图6 各BA区节点的平均度

与静息态相比，刺激光明穴时，BA1、BA2、BA3、BA5、BA7等与躯体感觉感知处理相关的脑区在网络中的连接增多。其中，BA1区节点度增大，BA2区不再存在节点，BA3区节点度增大，BA5区节点增多，BA7区节点度增大且节点增多。BA4、BA6和BA8等与运动有关的脑区在网络中的连接增多。其中，BA4区是运动激活的主要来源区，该区节点度减小但节点增多，BA6与BA8区两者共同构成前运动皮质，BA6区节点减少但节点度增大，BA8区节点度增大。在BA9、BA10、BA11等与思维、情绪和认知等高级活动有关的脑区中，BA9区节点度稍减小，BA10区节点增多，BA11区节点度减小，但总体上这些脑区在脑功能网络中的连接变化不明显。BA18、BA19等参与视觉信息处理的脑区在网络中的连接总体上增多。其中，BA18区节点增多，BA19区节点度增大。与听觉有关的BA21区节点度稍减小但节点增多，该区在脑功能网络中连接增多。左侧半脑BA22区出现了一个节点，该区与生成和理解单个单词有关，该区节点的连接边较少。与执行语义和文字产生有关的BA45区不再存在节点。BA46区与维持注意力和管理工作记忆有关，该区节点度减小，在脑功能网络中连接减少。BA47区与句法和字义处理有关，该区节点增多且节点度增大，在脑功能网络中的连接增多。

与静息态相比，刺激内关穴时，BA1和BA2区不再存在节点，BA3区节点度增大，BA5区节点度减小但节点增多、BA7区节点度增大且节点增多，与躯体感觉感知与处理相关的脑区在网络中连接总体上增多。BA6区节点减少，BA8区节点度减小，BA6与BA8区构成的前运动皮质在脑功能网络中连接减少，而运动激活的主要来源BA4区不再存在节点，与运动相关的脑区在网络中的连接总体上减少。BA9区节点度增大且节点增多、BA10区节点度增大且节点增多，BA11区节点度减小。总体上与思维、情绪和认知等高级活动有关的脑区在网络中的连接增多。BA18区节点度增大且节点增多，BA19区节点度增大，与视觉相关的脑区在网络中连接增多。与听觉有关的BA21区节点减少且节点度减小，该区在网络中连接减少。与维持注意力和管理工作记忆有关的BA46区节点度减小，该区在脑功能网络中连接减少。与句法、字义处理有关的BA47区节点增多且节点度增大，该区在网络中连接增多。

网络节点的聚类系数和度之间的关系见图7。各状态脑功能网络节点的平均度分别为22.6、24.5、22.9，因此取22作为度值分界点，当节点的度大于等于22就认为该节点位于较高的连接度区，否则就位于较低的连接度区。由图7结果可知，各状态节点的聚类系数在较高连接度区域，随着度增大节点聚类系数降低，表明在较高连接度区域度低的节点容易聚集成团。

图7 度与聚类系数

3 讨论

光明穴位于足少阳胆经，可以用于治疗目疾与下肢痿痹[21-22]。管永清等[23]基于fMRI发现电针刺激光明穴主要激活了BA18、BA19等视觉相关脑区，王虹[24]基于f MRI发现针刺光明穴激活了视觉和运动相关皮质。本文对磁刺激光明穴的EEG信号进行溯源，定位出的结果中包含视觉和运动相关脑区。通过进一步对比刺激光明穴与静息态的脑网络拓扑结构可知，与运动相关的BA4、BA6与BA8脑区，以及与视觉相关的BA18和BA19脑区在脑功能网络中的连接增加，说明运动与视觉功能在刺激光明穴时得到促进，这与光明穴的作用相符。

内关穴可以用于宁心安神、降压安眠，刺激时与运动相关的脑区BA4、BA6及BA8区在脑功能网络中连接减少，与维持注意力和管理工作记忆有关的BA46区在网络中连接也减少，可见运动、注意力、工作记忆等功能在刺激内关穴时受到抑制，这将有利于人保持安静与镇定[25]。内关穴位于手阙阴心包经，临床医学实践表明该经络上的穴位可用于治疗精神神志方面的疾病。近年来国内外研究一致认为额叶、颞叶损伤，额叶功能低下或激活程度不够与精神神志疾病的发病密切相关[26]。付平等[27]研究了电针刺激正常人与阿尔茨海默病患者内关穴时的fMRI数据，研究结果表明正常组与患者组的额叶与颞叶被不同程度激活。本文网络拓扑结构分析结果显示，刺激内关穴时位于额叶的与思维、情绪和认知等高级活动相关的脑区在网络中的连接增多，说明额叶区的脑功能活动得到促进，或许可以为刺激该经络穴位能治疗精神神志性疾病提供佐证。

由刺激光明穴、内关穴引起大脑功能网络拓扑结构变化的分析结果还可知，刺激光明穴与刺激内关穴时，与躯体感觉相关的脑区在脑功能网络中的连接总体上均增多。本文推测该现象是大脑对外界刺激引起躯体感觉的应激反应，而BA2区均不再存在节点，可能与BA2区主要处理来自关节囊感受器的冲动有关[28]。刺激两个穴位时，与视觉相关的脑区在网络中连接均增多。此外，刺激时与维持注意力和管理工作记忆有关的脑区在脑功能网络中的连接均减少，但刺激内关穴时网络连接减少更明显。光明穴和内关穴是位于不同经络上的两个穴位，通过不同的神经传导通路对大脑施加影响，但是从脑电信号溯源结果来看，刺激两个穴位时激活了一些相同的BA区[29]，其中也存在着一些看似与穴位作用无明显关系的脑区，这与海马在经典条件反射任务中激活的情况类似，从侧面说明大脑是通过多个脑区相互配合来完成各种神经活动的[30]。

本文基于EEG与磁刺激技术，利用组独立成分分析、标准低分辨率脑电磁断层成像及复杂网络分析方法，构建并分析磁刺激位于不同经络的光明穴与内关穴时的脑皮质功能网络。研究结果表明，磁刺激位于不同经络的光明穴和内关穴会引起与穴位自身功效基本相符的脑网络变化，即运动、视觉相关脑区在网络中的连接在磁刺激光明穴时增多；运动、注意力及工作记忆相关脑区在网络中的连接在磁刺激内关穴时减少，位于额叶的思维、情绪和认知相关脑区在网络中的连接在磁刺激内关穴时增多。同时，磁刺激不同经络上的穴位也能引起一些脑功能网络拓扑结构的相似变化，说明刺激不同经络穴位对大脑产生的影响并非完全不同。本文通过研究位于不同经络的光明穴和内关穴临床作用功效相对应的脑皮质功能网络拓扑结构表征，尝试为穴位特异性研究提供新的佐证，在穴位刺激疗法作用功效的可视化评价方面具有临床应用前景。