吳霞，于洪麗，丁為國，鄭威，陳靜，魏麗

1.河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.天津市北辰中醫(yī)醫(yī)院，天津 300400

引言

隨著工作和生活節(jié)奏的不斷加快，越來越多的人處于亞健康狀態(tài)。亞健康是健康與疾病的臨界狀態(tài)，雖然沒有器質(zhì)性的損害和疾病癥狀，但在主觀上卻有種種不適感。如果這種狀態(tài)不能得到及時改善，很容易引起不可逆轉(zhuǎn)的身心疾病[1]。失眠作為亞健康的常見癥狀，嚴(yán)重影響了人們的工作、學(xué)習(xí)和生活質(zhì)量，長期失眠還會引起人體免疫機(jī)能下降和代謝功能紊亂，從而引發(fā)一系列疾病[2-3]。

長期的醫(yī)學(xué)實(shí)踐和科學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，針灸對失眠具有顯著成效[4]。但傳統(tǒng)針灸多依賴于主治醫(yī)師的手法和經(jīng)驗(yàn)，存在不易量化等問題，使得針灸技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展受到很大的限制[5]。磁刺激技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代后興起的一項(xiàng)無創(chuàng)的檢測和治療技術(shù)[6]。磁刺激作為一種非侵入式的刺激技術(shù)，它的作用原理與電刺激相似，同時在腦神經(jīng)和深部神經(jīng)刺激中具有更突出的優(yōu)勢[7-8]。本課題組自2008年始，開展了磁刺激穴位作用效應(yīng)等領(lǐng)域的相關(guān)研究，取得了很好的研究成果[9-12]。

近幾年，腦網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)成為神經(jīng)信息科學(xué)的熱門領(lǐng)域。隨著腦影像技術(shù)的飛速發(fā)展，腦信號（Electroencephalograme，EEG）采集更為精確，這也進(jìn)一步推動了對大腦的探索及研究。與此同時，諸多學(xué)者開展了穴位刺激相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)研究。李諾等[13]在2011年研究了針刺足三里穴位的腦功能網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)刺激足三里有提高腦部遠(yuǎn)端區(qū)域間信息交流的效果。王海洋等[14]在2012年同樣對針刺足三里穴位進(jìn)行處理與網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)針刺可以增強(qiáng)某些腦區(qū)的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，使信息傳遞更為有效和活躍。同年，方繼良等[15]開展了對針刺足三里和關(guān)元穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)研究，發(fā)現(xiàn)針刺足三里產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)于針刺關(guān)元穴。尹寧等[16]于2013年在國內(nèi)首次進(jìn)行了磁刺激內(nèi)關(guān)穴的研究，發(fā)現(xiàn)磁刺激內(nèi)關(guān)穴時所構(gòu)建的腦功能網(wǎng)絡(luò)的“小世界”屬性增強(qiáng)，大腦各腦區(qū)間信息傳遞有效提高。付靈弟[17]構(gòu)建了磁刺激不同穴位腦功能網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)磁刺激不同穴位時，腦網(wǎng)絡(luò)局部屬性網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)在相同以及不同腦功能區(qū)上變化差異較大。

本文將亞健康失眠作為研究方向，采用磁刺激方法對具有安神助眠功效的穴位進(jìn)行刺激，提取被試刺激前后的腦電信號，通過構(gòu)建并分析不同狀態(tài)下的腦功能網(wǎng)絡(luò)，探討磁刺激穴位對亞健康失眠的作用效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

依據(jù)匹茲堡睡眠指數(shù)量表，9名在校大學(xué)生（6男，3女）作為被試自愿參加了本次實(shí)驗(yàn)，年齡在23～26歲之間，均為右利手，無任何精神病史。匹茲堡睡眠指數(shù)量表得分顯示各被試均處于亞健康失眠狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)開始前，所有被試者均被告知實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，并簽署了知情同意書。采集腦電期間，被試保持閉眼靜息狀態(tài)。通過咨詢天津市北辰中醫(yī)醫(yī)院專家，實(shí)驗(yàn)選取了神門、內(nèi)關(guān)和三陰交作為刺激的配穴。磁刺激設(shè)備為英國Magstim公司的Rapid2重復(fù)脈沖磁刺激儀，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1 Hz。實(shí)驗(yàn)時，磁刺激線圈中心位置處于穴位上方1 cm處，調(diào)整線圈方向保證磁場方向與穴位所處位置垂直。實(shí)驗(yàn)流程圖，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

腦電采集設(shè)備采用美國Neuroscan公司的ESI-128 EEG/ERP系統(tǒng)，每次采集64導(dǎo)，電極排列依據(jù)國際10～20電極放置法。信號經(jīng)SynAmps第二代放大器放大500倍后，進(jìn)行離線式數(shù)據(jù)處理，過程包括：① 預(yù)覽采集的EEG信號；② 剔除發(fā)生明顯漂移的EEG數(shù)據(jù)；③ 去除眼電偽跡；④進(jìn)行0.5～40 Hz 有限長單位沖激響應(yīng)濾波器帶通濾波預(yù)處理。經(jīng)過預(yù)處理之后，分別截取被試刺激前、后的EEG數(shù)據(jù)15000點(diǎn)，用于構(gòu)建復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)。

1.2 互相關(guān)系數(shù)算法

腦電的相關(guān)特性分析（多通道腦電）是反映任意兩個腦電時間序列之間的密切程度，所得到的相關(guān)系數(shù)可以用來揭示兩通道腦電信號之間相關(guān)程度的強(qiáng)弱[18]。其中互相關(guān)系數(shù)算法是最常用算法之一。

離散隨機(jī)變量x和y表示任意兩個通道的腦電時間序列，相關(guān)系數(shù)Rxy衡量兩個腦電序列之間的相關(guān)程度。因此在時域上x和y的互相關(guān)系數(shù)可以表示為：

其中，i，j分別代表兩個通道的采樣點(diǎn)，n表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的總個數(shù)，k表示x和y采樣點(diǎn)之間的延遲時間。若x和y同步采集的，那么Rxy可以進(jìn)一步簡化為：

由上述公式計(jì)算得到的互相關(guān)系數(shù)Rxy表示任意兩通道腦電信號x和y之間在時域上的相互關(guān)聯(lián)程度（其取值在0和1之間）。Rxy越接近1，表示相關(guān)程度越高，越接近0，表示相關(guān)程度越低。

1.3 復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需要進(jìn)行3部分工作：節(jié)點(diǎn)的選取、閾值的選取和網(wǎng)絡(luò)的連接邊。

（1）節(jié)點(diǎn)選取。本文參照腦電信號采集過程中大腦頭皮表面的電極分布情況（圖2），節(jié)點(diǎn)直接選取每個電極所測量的大腦區(qū)域。

圖2 電極分布示意圖

（2）閾值選取。得到關(guān)聯(lián)矩陣后，需要選取合適是閾值來構(gòu)建二值矩陣。閾值選取非常關(guān)鍵，若選取不當(dāng)，很可能將原本存在的差異性抹殺掉。本文是將各個被試的正相關(guān)矩陣進(jìn)行加和平均后，再進(jìn)行二值化，閾值選取磁刺激前（靜息態(tài)）的平均相關(guān)矩陣為基準(zhǔn)，使網(wǎng)絡(luò)盡可能稀疏又要避免全連接的現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間關(guān)系強(qiáng)度大于所選閾值時，二值矩陣相應(yīng)位置設(shè)置為1，否則設(shè)置為0。

（3）邊的連接。當(dāng)二值矩陣數(shù)值為1時，在所對應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間建立連接邊；數(shù)值為0時，不建立連接邊。根據(jù)上述原則，分別構(gòu)建刺激前（靜息態(tài)）和磁刺激后的腦功能網(wǎng)絡(luò)。

1.4 腦網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)有度、聚類系數(shù)、平均路徑長度、全局效率等。本文采用上述參數(shù)對所建立的腦功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，通過對比亞健康失眠被試靜息態(tài)和磁刺激穴位后的腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特征參數(shù)的差異性，研究了磁刺激穴位對大腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響。

（1）平均度D。度是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的屬性中最簡單但也是最重要的性質(zhì)[18]。度被定義為一個通道節(jié)點(diǎn)與它相連的節(jié)點(diǎn)是數(shù)目，是反映局部屬性的一個重要指標(biāo)，用k表示。往往度越大，其節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位越重要。計(jì)算方法為：

式中，A表示關(guān)聯(lián)系數(shù)值。

平均度是衡量整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小的一項(xiàng)重要指標(biāo)，用D表示。其計(jì)算方法比較簡單，是所有節(jié)點(diǎn)度的均值。

其中N表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，ki表示網(wǎng)絡(luò)中第i個節(jié)點(diǎn)的度。

（2）聚類系數(shù)C。聚類系數(shù)反映的是所給狀態(tài)兩個節(jié)點(diǎn)互為鄰居的可能性，衡量的是腦功能網(wǎng)絡(luò)的全局屬性和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部聚集程度，即局部腦功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的神經(jīng)元之間連接緊密程度[18]。Ci表示局部聚類系數(shù)，整個腦網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)C可由所有通道節(jié)點(diǎn)局部聚類系數(shù)Ci取平均得到。其表達(dá)式為：

式中，ki表示與節(jié)點(diǎn)i相連的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，Ei表示與i的鄰居節(jié)點(diǎn)間存在的實(shí)際連接邊數(shù)，ki(ki-1)/2表示與節(jié)點(diǎn)i相連的ki個節(jié)點(diǎn)之間最多可能存在的邊數(shù)。

（3）平均路徑長度L。平均路徑長度表示網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑長度的平均值，它是衡量腦功能網(wǎng)絡(luò)全局屬性和反映網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息傳輸?shù)年P(guān)鍵參數(shù)[18]，用L表示。

式中，dij表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的距離，N表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

（4）全局效率E。全局效率可以用來衡量信息在復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)中傳遞快慢的一個綜合指標(biāo)[18]。全局效率具體可以表示為：

式中，N表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，dij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的距離。

全局效率除了可以衡量信息在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的快慢，還具備一個優(yōu)勢即在有不連通節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中（即存在孤立點(diǎn)）更為適用。當(dāng)腦功能網(wǎng)絡(luò)中存在孤立點(diǎn)時，最短路徑長度可能會出現(xiàn)無窮大，這就需要去除孤立點(diǎn)，而全局效率則可以允許有孤立點(diǎn)的存在，不連通節(jié)點(diǎn)間的距離取倒數(shù)后為 0，因此全局效率可以用來更加全面地描述腦功能網(wǎng)絡(luò)的特征[19]。

（5）復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)的“小世界”屬性?！靶∈澜纭北憩F(xiàn)為局部連接緊密成簇，且任意兩點(diǎn)間具有較短的路徑長度，即具有較短的平均路徑和較高的聚類系數(shù)，是介于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的一種網(wǎng)絡(luò)模型[20]。如果所研究的網(wǎng)絡(luò)相對于相同規(guī)模（具有相同節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)平均度）的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)而言具有較大的聚類系數(shù)和近似的最短路徑長度，即滿足：

則證明該網(wǎng)絡(luò)屬于“小世界”網(wǎng)絡(luò)范疇。其中，Creal和Lreal分別代表所構(gòu)建的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)和平均路徑長度，Creal和Lreal分別代表隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)和平均路徑長度。

兩個度量指標(biāo)可以統(tǒng)一成一個“小世界”屬性綜合指標(biāo)σ=γ/λ。當(dāng)σ＞1時，網(wǎng)絡(luò)具有“小世界”屬性，且σ越大說明該網(wǎng)絡(luò)的“小世界”屬性越強(qiáng)。小世界特性反映了網(wǎng)絡(luò)能夠滿足局部和整體信息處理的需要，即有較高的并行信息處理的局部和整體效率。

2 結(jié)果與分析

失眠被試刺激前和為期3天磁刺激穴位實(shí)驗(yàn)后的腦電數(shù)據(jù)經(jīng)過腦電預(yù)處理之后，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，對9人刺激前后的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行平均，得到刺激前后的平均相關(guān)系數(shù)。分別對每個電極刺激前、后的腦電信號相關(guān)系數(shù)進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：磁刺激后，亞健康失眠被試的額葉、枕葉以及左顳葉和左頂葉區(qū)相關(guān)系數(shù)顯著升高（P＜0.05），右顳葉和右頂葉區(qū)相關(guān)系數(shù)顯著降低（P＜0.05）。部分電極處的相關(guān)系數(shù)比較，見圖3。

圖3 刺激前、后互相關(guān)系數(shù)對比

閾值選取是構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)極其關(guān)鍵的一步，閾值選取不合適，差異性就無法很好的體現(xiàn)。本文在閾值選取時，以刺激前相關(guān)系數(shù)矩陣為基礎(chǔ)，保證刺激前腦功能網(wǎng)絡(luò)盡可能稀疏同時避免全連接現(xiàn)象的出現(xiàn)，最終選取0.77作為二值化的閾值，構(gòu)建了刺激前、后的腦功能網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果見圖4。

圖4 閾值0.77時刺激前（a）和刺激后腦（b）網(wǎng)絡(luò)圖

通過對比刺激前后的腦網(wǎng)絡(luò)圖可以看出，磁刺激穴位后，額葉區(qū)、枕葉區(qū)以及左顳葉區(qū)連接有明顯增加，右顳葉區(qū)、右頂葉區(qū)有減弱的趨勢。

對所構(gòu)建的磁刺激穴位前、后的腦功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)分析。其中參數(shù)包括各個節(jié)點(diǎn)的度Di、平均度D、聚類系數(shù)C、路徑長度L和全局效率E。

對腦網(wǎng)絡(luò)刺激前、后的各個節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行分析，繪制腦電地形圖，見圖5。觀察可以看出磁刺激穴位后，額葉區(qū)和枕葉區(qū)連接明顯增強(qiáng)。

對刺激前、后的各個節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行比較，繪制折線圖，見圖6～7，可以看出磁刺激穴位對亞健康失眠患者的腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)節(jié)點(diǎn)度的影響，其中大腦額葉區(qū)，枕葉區(qū)增強(qiáng)趨勢較為明顯，左腦顳葉區(qū)有加強(qiáng)趨勢，右腦顳葉區(qū)呈現(xiàn)減弱趨勢。

通過計(jì)算復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)的平均度D、聚類系數(shù)C、平均路徑長度L和全局效率E，見表1。磁刺激穴位后與靜息態(tài)相比均有變化，其中平均度、聚類系數(shù)和全局效率呈增長趨勢，平均路徑長度減小，這一系列的變化使得復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)區(qū)域間內(nèi)部連通性變強(qiáng)，對信息交流效果產(chǎn)生一定的改善作用。

圖5 刺激前（a）和刺激后（b）節(jié)點(diǎn)度地形圖

圖6 磁刺激前、后節(jié)點(diǎn)度加強(qiáng)點(diǎn)

圖7 磁刺激前、后節(jié)點(diǎn)度減弱點(diǎn)

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

結(jié)合幾個特征參數(shù)之間的聯(lián)系，計(jì)算“小世界”網(wǎng)絡(luò)，磁刺激穴位前、后的綜合參數(shù)σ均大于1，可以說明所構(gòu)建的磁刺激穴位腦功能網(wǎng)絡(luò)前、后均具有“小世界”屬性，而磁刺激穴位后，“小世界”屬性有所增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)中信息傳遞更加有效。

3 討論

論文首先對亞健康失眠患者磁刺激穴位前后的正相關(guān)系數(shù)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)亞健康失眠患者在接受為期三日的磁刺激穴位后，大腦額葉區(qū)、枕葉區(qū)具有顯著性提高，同時左腦顳葉區(qū)、頂葉區(qū)也有顯著性提高，與之相反的是右腦頂葉區(qū)和顳葉區(qū)具有顯著性降低。關(guān)聯(lián)特性的強(qiáng)弱變化影響腦網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的速率。

對磁刺激前后的腦功能網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行研究與分析，發(fā)現(xiàn)磁刺激后，平均度、聚類系數(shù)和全局效率增大，而平均路徑長度減小，平均路徑長度和全局效率都是衡量信息在腦功能網(wǎng)絡(luò)中的傳遞快遞的指標(biāo)，主要用來刻畫大腦在特定狀態(tài)下能量及物質(zhì)消耗的是否“經(jīng)濟(jì)”，因此可以看出磁刺激穴位后，亞健康失眠患者的大腦區(qū)域的內(nèi)部連通性和信息交流效果具有一定的改善作用。

通過計(jì)算亞健康失眠患者在磁刺激穴位前后的“小世界”屬性，發(fā)現(xiàn)無論是在刺激前狀態(tài)還是刺激后狀態(tài)，構(gòu)建的腦網(wǎng)絡(luò)都具有“小世界”屬性，該結(jié)果說明磁刺激穴位不會改變腦功能網(wǎng)絡(luò)的基本屬性，這與之前尹寧等[19]磁刺激穴位對腦功能的影響結(jié)論一致。而且研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，磁刺激穴位后，“小世界”屬性有所增強(qiáng)。小世界特性，反映了大腦網(wǎng)絡(luò)能夠同時滿足局部和整體信息處理的需要，腦區(qū)內(nèi)緊密連接，腦區(qū)間相對稀疏，這有利于增強(qiáng)局部特化的信息處理和整個網(wǎng)絡(luò)的信息整合[20]。

由于被試數(shù)據(jù)量較少，后期需要加大被試數(shù)量，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，使研究更加準(zhǔn)確。同時，增設(shè)對照組，對比健康被試大腦功能網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步探索磁刺激穴位對亞健康失眠患者的作用效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文基于EEG，采取復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)分析方法，把亞健康失眠作為切入點(diǎn)，來研究磁刺激穴位對大腦功能網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響。利用互相關(guān)方法，對多通道腦電信號進(jìn)行了關(guān)聯(lián)特性分析，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了靜息態(tài)和磁刺激穴位的亞健康失眠患者的大腦功能網(wǎng)絡(luò)。利用復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)對磁刺激穴位前、后的腦功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入研究與分析，探索磁刺激穴位對亞健康失眠患者的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁刺激穴位后與刺激前相比，亞健康失眠患者的復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)的平均度、聚類系數(shù)和全局效率均有提高，平均路徑長度有所降低，同時“小世界”屬性增強(qiáng)，信息在大腦區(qū)域間的傳遞更加有效。

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