吳林納,徐 帆,楊霖軒,孫 瑱,許瀚予,徐志杰,李桂平△

1.天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院,天津 300193; 2.國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心,天津 300193;3.啟元生物(杭州)有限公司,上海 200120

腦卒中常被稱為中風,主要表現(xiàn)為突然起病、意識障礙和局灶性神經(jīng)功能缺失,是嚴重影響中國國民健康的重大非傳染性疾病[1]。全球疾病負擔研究(Glo-bal burden of disease study,GBD)數(shù)據(jù)顯示,2019年中國腦卒中造成的死亡人數(shù)高達219萬,成為導(dǎo)致我國人口減壽的主因[2]。中醫(yī)認為中風多是由于氣血內(nèi)虛、飲食不節(jié)與情緒不調(diào)等導(dǎo)致氣血陰陽逆亂、臟腑失和,使血溢腦脈之外或腦脈痹阻,而中醫(yī)學(xué)可通過針刺特定穴位,達到活血化瘀、通絡(luò)宣痹的效用以治療本病。多項研究表明針刺對腦卒中具有確切療效[3],被《中國卒中學(xué)會腦血管病臨床管理指南》列為Ⅱ級推薦[4]?，F(xiàn)階段研究多從組織形態(tài)、血液成分、炎癥因子與神經(jīng)遞質(zhì)等角度闡述針刺治療的作用機制[5],缺乏對大腦活動變化的實時模擬或難以直觀揭示中樞層面的針刺效應(yīng)。

隨著信息工程學(xué)科的飛速進步,研究人員基于醫(yī)工結(jié)合模式,應(yīng)用靜息態(tài)腦電圖(resting state electroencephalogram,rsEEG)技術(shù)探索針刺對大腦的調(diào)節(jié)規(guī)律,直觀展示針刺治療的中樞效應(yīng),實現(xiàn)了腦功能改變的可視化。近幾年,rsEEG分析技術(shù)不斷更新,從早期的時域分析,發(fā)展到目前常用的頻域分析、功能連接分析等新型手段。如何在針刺治療腦卒中相關(guān)研究中選擇適宜的腦電分析方法是一個關(guān)鍵步驟,備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注?，F(xiàn)總結(jié)近年來rsEEG技術(shù)在針刺治療缺血性腦卒中(IS)機制研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀,以期為后續(xù)開展相關(guān)研究提供參考。

1 rsEEG技術(shù)及其分析方法概述

EEG是一種檢測人腦功能的研究方法,可通過捕捉神經(jīng)元水平的病生理信息來反映大腦皮層的活動情況,在解析大腦狀態(tài)與認知功能等方面發(fā)揮重要作用[6]。腦電信號按照頻率可分為4個波段:δ波(1～4 Hz)、θ波(4～8 Hz)、α波(8～13 Hz)與β波(13～30 Hz)。其中,δ波常出現(xiàn)于極度疲勞和深度睡眠狀態(tài);θ波與幻想、情感有關(guān),在精神病患者以及成年人感到挫敗時最為明顯;α波與注意力、短期記憶和運動學(xué)習相關(guān),在清醒安靜狀態(tài)下最為明顯,是健康人腦電的基本節(jié)律;β波與感官運動行為相關(guān),以精神緊張、焦慮亢奮和注意力高度集中時較為典型[7]。EEG技術(shù)具有時間分辨率高、采集過程相對簡易與腦電信號特征為非線性等特點,可在毫秒級時間范圍內(nèi)捕獲大腦活動產(chǎn)生的復(fù)雜數(shù)據(jù)[8],能很好地揭示中樞層面的針刺效應(yīng)[9]。同時,作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的熱門技術(shù),正逐步應(yīng)用于腦卒中的診斷識別及判定預(yù)后[10]。

根據(jù)EEG的不同狀態(tài)可分為靜息態(tài)和任務(wù)態(tài),靜息態(tài)腦電記錄卒中患者在安靜放松狀態(tài)下的腦電信號,反映大腦內(nèi)在活動模式[11],能夠更全面地觀察患者在各種刺激中表現(xiàn)出的缺損,加深對疾病本身和干預(yù)措施的理解。rsEEG技術(shù)在解碼腦卒中針刺效應(yīng)研究中的應(yīng)用主要包括時域分析、頻域分析、時頻分析、圖論理論與功能連接(Functional connectivity,FC)等。這些方法從時間特性、頻率特性與腦網(wǎng)絡(luò)等不同視角分析信號,解析針刺刺激時腦電不同波段的節(jié)律和能量以及刺激產(chǎn)生的信息在大腦內(nèi)的傳遞特點,使基于rsEEG技術(shù)的針刺研究從簡易觀察信號波形波幅的改變轉(zhuǎn)向為挖掘信號變化背后所蘊含的內(nèi)容,已成為探討針刺調(diào)節(jié)效應(yīng)的有效工具之一。

2 rsEEG不同分析方法在解碼腦卒中針刺效應(yīng)中的應(yīng)用現(xiàn)況

頭皮腦電信噪比低,采集過程中容易受到外界噪聲干擾產(chǎn)生偽跡,故在分析前需要預(yù)先去除偽跡,預(yù)處理常用數(shù)字濾波及獨立成分分析方法。之后再對腦電數(shù)據(jù)進行分析,方法包括時域分析、頻域分析、時頻分析及基于圖論理論的FC分析。

2.1 腦電信號預(yù)處理

影響電生理信號的干擾信號被稱為人工偽跡,可分為非生理和生理兩類[12],非生理性偽跡主要以工頻干擾為主,生理性偽跡主要由眼部、肌肉與心臟等部位的運動引起[13]。偽跡會導(dǎo)致目標信號的不良變化,從而為分析過程帶來了挑戰(zhàn),因此如何規(guī)范且有效地去除偽跡成為應(yīng)用rsEEG技術(shù)所需要解決的首要問題。在解碼腦卒中針刺效應(yīng)研究中最常應(yīng)用的預(yù)處理技術(shù)為數(shù)字濾波方法和獨立成分分析(Independent components analysis,ICA)方法。

數(shù)字濾波是通過計算減少干擾信號占比的一種方法,可分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波以及陷波濾波。多數(shù)研究人員在收集針刺作用下卒中患者腦電信息時常采用帶通濾波器提取4個波段信號,少部分根據(jù)試驗?zāi)康闹惶崛】觳?如僅分析α波段旨在研究電針恢復(fù)患者生活能力的作用機理[14],或僅通過β波段觀察運動功能好轉(zhuǎn)與卒中發(fā)作時間的相關(guān)性以探究電針介入的最優(yōu)時機[15];還有試驗通過對比快波α和慢波δ評價針刺前后大腦功能狀態(tài)和組織損害情況[16]。此外,王鵬博[17]、Guo XL等[18]還采用陷波濾波器去除50 Hz工頻干擾。盡管該方法快捷,但理想狀態(tài)下要求偽跡與正常腦電頻帶不混疊[19],在實際情景中難以實現(xiàn),極易在濾除偽跡時損失部分有用信息。

相較于濾波技術(shù)把其余信號全部濾除不能找回,ICA作為一種實現(xiàn)盲源分離的通用方法,其主要用途是分離rsEEG信號中的偽影[20]。根據(jù)此算法理論,眼電(Electrooculography,EOG)、心電(Electrocardiography,ECG)和肌電(Electromyography,EMG)等產(chǎn)生的偽跡均可看作獨立信號源,ICA通過統(tǒng)計不相關(guān)性,可分離偽跡并保留有用信號。Song Z T等[21]認為EOG偽跡嚴重影響卒中患者針刺前-中-后腦電數(shù)據(jù)的后續(xù)分析,故應(yīng)用ICA側(cè)重去除EOG;另有學(xué)者在預(yù)處理中以去除ECG為主[22]。而彭景[23]、Lin YF等[15]研究者則選擇去除EOG、ECG、EMG和其他類型的偽跡,盡量減少其對有用信號帶來的不良影響。不足之處在于較為耗時費力需人工判別偽跡成分,并且去除效果依賴于數(shù)據(jù)量。

預(yù)處理方法對提高信號質(zhì)量至關(guān)重要,同時也是基于腦電技術(shù)揭示針刺治療腦卒中作用機制的先決條件,常用的數(shù)字濾波和ICA均有不足之處,而研究表明機器學(xué)習方法應(yīng)用于提高預(yù)處理去除偽跡水平有巨大潛力[24],但目前針刺領(lǐng)域的腦電研究較少使用此法。

2.2 時域、頻域和時頻分析

2.2.1 時域分析 原始rsEEG信號是由很多個樣本點數(shù)所構(gòu)成的一個有限的離散的時間域數(shù)據(jù)。時域分析直接從時域數(shù)據(jù)中提取特征,其主要關(guān)注rsEEG波幅隨時間進程的變化情況,且具有直觀性強、計算快捷與物理意義明確的特點,是最早發(fā)展起來的腦電信號研究方法[25]。

既往研究分析rsEEG主要通過肉眼觀察,可看作是人工時域分析,如劉麗瑾等[26]通過肉眼觀察腦出血患者接受針刺后的rsEEG發(fā)現(xiàn)信號從以δ節(jié)律為主遷移到以α節(jié)律為主。另有學(xué)者應(yīng)用時域分析揭示針刺的部分促醒機制,通過計算一定時間范圍內(nèi)腦電信號的頻率和波幅變化證實相較于毫針組和空白組,電針可顯著增快急性腦梗死患者的rsEEG頻率[27-28],雖未明言患者腦電波段主要類型,但頻率增快預(yù)示著大腦從疲勞睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)向清醒狀態(tài)。時域分析由于無須濾波處理,具有更高的時間精度,然而時域分析僅能體現(xiàn)幅值隨時間的變化,缺少對頻段內(nèi)容的挖掘,不足以全面反映信號中所蘊藏的信息。

2.2.2 頻域分析 傅里葉變換作為一種線性積分變換,可將腦電信號從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域進行分析。轉(zhuǎn)換后,頻域分析可描述信號的頻率結(jié)構(gòu)和各頻率成分的幅值大小。因此rsEEG信號在頻域往往比在時域更加直觀[27-28],所以大多數(shù)基于rsEEG技術(shù)的針刺研究是在頻域下進行的。

部分研究通過應(yīng)用頻域分析重點關(guān)注β帶功率變化,以揭示針刺恢復(fù)卒中患者運動、行為與感覺功能的效應(yīng)機制。如Zou F等[22]研究單次電針對肢體運動功能障礙的卒中患者產(chǎn)生的即刻效應(yīng),試驗發(fā)現(xiàn)電針能使弛緩性及痙攣性癱瘓的患者雙側(cè)運動皮層β帶功率增加,δ帶功率降低。兩年后的一項電針對卒中后失眠患者日間嗜睡的影響研究[17]亦表明首次電針刺激過程中β頻段能量增加,但略有不同的是研究還發(fā)現(xiàn)慢波δ頻段能量也在增加,這可能與δ波振蕩是機體邁向清醒狀態(tài)的穩(wěn)健生物標志物[29]有關(guān);研究還觀察了電針的累積效應(yīng),治療3周后,腦區(qū)反應(yīng)提高,僅有β頻段功率增加,嗜睡癥狀改善顯著。有試驗僅探索針刺的累積效應(yīng),結(jié)果表明[23]肢體麻木的卒中患者在治療12次后β波平均功率在額葉區(qū)較前明顯提高,且與諾丁漢感覺評價量表評分的升高呈正相關(guān)。

α頻帶功率與中風患者的運動和日常生活功能有明顯的相關(guān)性,被認為是卒中患者臨床結(jié)局的腦電圖定量指標[30],故有研究應(yīng)用頻域分析著眼于α頻帶變化,意在闡釋針刺康復(fù)的效應(yīng)機制,試驗發(fā)現(xiàn)針刺中α頻帶節(jié)律明顯增加,針刺后仍保持高振幅[14]。簡而言之,針刺可通過減少代表疲勞狀態(tài)δ波的大腦活動,增強代表清醒狀態(tài)的α波、β波功率,增強腦電覺醒活動,進而發(fā)揮康復(fù)療效。遺憾的是頻域分析只能展示頻段能量的分布,缺乏時間信息,無法體現(xiàn)特定頻段能量隨時間的變化,僅適用于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析。

2.2.3 時頻分析 時域和頻域分析方法主要用于解析平穩(wěn)信號,對于不平穩(wěn)、非線性的rsEEG信號,獨立應(yīng)用二者都難以提取出有效的特征信息,而時頻分析方法能夠準確地提取到非線性信號頻率隨時間變化的特征信息,彌補了時域及頻域分析方法的缺點[31]。有文獻提及運用rsEEG時頻分析的傅里葉變換和小波變換探究針刺對卒中后上肢運動功能的影響[16],但只統(tǒng)計了α和β頻帶的平均功率數(shù)值,并未清晰地闡釋信號頻率時變性。既往有學(xué)者采用時頻分析方法解碼針刺鎮(zhèn)痛機制[32],觀測不同頻段的響應(yīng)情況,更為全面地展現(xiàn)針刺引發(fā)大腦振蕩信號活動的變化模式,這提示研究人員后續(xù)應(yīng)當提取靜息態(tài)腦電數(shù)據(jù)中更多的特征信息,以明確針刺對卒中患者腦區(qū)的調(diào)節(jié)規(guī)律。

2.3 基于圖論理論的FC分析

FC是指解剖學(xué)上不同但功能協(xié)作的大腦區(qū)域中活動的時間同步,其相應(yīng)分析方法可以測量兩個神經(jīng)元集合體活動之間的各種關(guān)系,目前已成為研究rsEEG的主要手段[33]。FC分析常用的指標有:皮爾森系數(shù)(Pearson correlation coefficient,PCC)、波譜相干(Spectral coherence,SC)、相互信息(Mutual information,MI)、相位滯后指數(shù)(Phase lag index,PLI)、鎖相值(Phase locking value,PLV)、定向傳遞函數(shù)(Directed transfer function,DTF)和部分定向相干(Partial directed coherence,PDC)。隨著分析方法的革新,大腦功能的數(shù)據(jù)集越來越多,因此需要一種新的多學(xué)科方法來解構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)。圖論理論作為腦網(wǎng)絡(luò)分析領(lǐng)域的新興方法,使用由節(jié)點和邊組成的圖來表示腦網(wǎng)絡(luò)[34-35]。其中,節(jié)點代表腦區(qū),邊象征腦區(qū)間的功能連接,節(jié)點強度就是和此節(jié)點相連邊的數(shù)目,總結(jié)節(jié)點之間的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系,以節(jié)點強度和邊緣權(quán)重描述腦功能的分離和整合特性,在拓撲水平上度量大腦不同區(qū)域之間的功能連通性。

應(yīng)用FC分析不僅可以闡釋針刺作用機理,而且可以為優(yōu)化針灸介入方案提供理論支持。有試驗基于圖論理論采用PCC、MI、PLI、DTF與PDC等多種FC度量指標構(gòu)建α和β頻帶的腦網(wǎng)絡(luò)圖譜,從節(jié)點間的相關(guān)性、相位同步程度與信息傳遞方向等角度研究電針對不同病程卒中患者腦功能連通性的改變[21]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同病程的患者功能連接數(shù)量、節(jié)點強度均有所增加,表明電針可在不同維度上增加腦區(qū)的功能連通性,進而誘導(dǎo)神經(jīng)元重塑,以恢復(fù)肢體功能。但無論使用哪個指標進行映射,病程越長的患者腦區(qū)反應(yīng)越弱,提示醫(yī)師應(yīng)當把握針刺介入的黃金時機。

人腦是以各個功能區(qū)聯(lián)合協(xié)作的方式工作,不同功能區(qū)內(nèi)部及功能區(qū)之間都有廣泛的協(xié)作關(guān)系。功能連接和腦網(wǎng)絡(luò)特征可以描述不同區(qū)域之間的功能整合聯(lián)系,直觀化大腦不同腦區(qū)協(xié)同合作的信息。而卒中患者信號傳入輸出的過程發(fā)生障礙,連通性異于健康人,因此可以通過基于圖論理論的FC挖掘針刺對卒中患者腦區(qū)的調(diào)節(jié)規(guī)律,并且腦網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)形式展示了更多的空間結(jié)構(gòu),這是其他分析方法所不具備的。

3 總結(jié)

目前,從rsEEG視角揭示針刺治療IS的中樞效應(yīng)機制研究正在逐步深入中,雖然該技術(shù)具有可視化大腦的功能活動,但存在空間分辨率較低等不足之處。隨著工程信息技術(shù)的不斷發(fā)展,形成了EEG-fMRI、EEG-NIRS等多模態(tài)融合的腦功能成像手段,各模態(tài)技術(shù)取長補短,全面提高了檢測的精確性及時效性[6],有望成為今后針刺研究中的主流應(yīng)用工具。

應(yīng)用rsEEG不同分析方法從各個尺度腦功能水平闡述腦卒中針刺效應(yīng),有助于直觀的解析結(jié)果,然而由于大腦活動的復(fù)雜性和腦電信號的動態(tài)特性,傳統(tǒng)的分析方法無法實現(xiàn)動態(tài)刻畫及排除非針刺效應(yīng)因素。基于因素的考量,有學(xué)者認為微狀態(tài)分析是極具競爭力的針刺效應(yīng)研究工具[36],相對穩(wěn)定的微狀態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)圖,在保留了信號的時間域信息同時又涵蓋了空間域信息,可通過微狀態(tài)時間序列和電信號之間的轉(zhuǎn)換,全局衡量針刺時大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時間動態(tài)特性,更為精準地刻畫針刺的即刻效應(yīng),或有望成為闡釋特定針刺手法的新方法。

此外,研究人員提出采用深度學(xué)習模型,可解構(gòu)針刺數(shù)據(jù)之間的隱藏關(guān)系,通過自動提取信號之間最重要的辨識特征,形成端對端的網(wǎng)絡(luò)模型來針對性地刻畫數(shù)據(jù)關(guān)系[37-39],準確反映針刺效應(yīng),盡可能排除其他因素干擾。目前,一項基于rsEEG技術(shù)應(yīng)用深度學(xué)習模型探索“醒腦開竅針法”治療缺血性腦卒中作用機制的臨床試驗研究正在開展[40],實現(xiàn)了針刺作用下大腦內(nèi)部狀態(tài)刻畫,直觀闡釋了針刺不同腧穴對患者腦區(qū)的調(diào)節(jié)規(guī)律。此外,深度學(xué)習模型能根據(jù)患者的基礎(chǔ)信息和病史資料提供個性化診療方案,為臨床提供決策支持[41]。

未來,研究人員可利用先進的rsEEG采集工具及分析方法將大樣本臨床信息和腦電數(shù)據(jù)整合,揭示效應(yīng)機制同時預(yù)測療效,并在個體水平上提供針對性的臨床指導(dǎo),達到針灸轉(zhuǎn)化研究的新高度。