基于互相關方法的磁刺激穴位對亞健康失眠者的腦網絡分析

吳霞，于洪麗，丁為國，鄭威，陳靜，魏麗

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 300130；2.天津市北辰中醫醫院，天津 300400

引言

隨著工作和生活節奏的不斷加快，越來越多的人處于亞健康狀態。亞健康是健康與疾病的臨界狀態，雖然沒有器質性的損害和疾病癥狀，但在主觀上卻有種種不適感。如果這種狀態不能得到及時改善，很容易引起不可逆轉的身心疾病[1]。失眠作為亞健康的常見癥狀，嚴重影響了人們的工作、學習和生活質量，長期失眠還會引起人體免疫機能下降和代謝功能紊亂，從而引發一系列疾病[2-3]。

長期的醫學實踐和科學研究已經證實，針灸對失眠具有顯著成效[4]。但傳統針灸多依賴于主治醫師的手法和經驗，存在不易量化等問題，使得針灸技術的應用和發展受到很大的限制[5]。磁刺激技術是二十世紀八十年代后興起的一項無創的檢測和治療技術[6]。磁刺激作為一種非侵入式的刺激技術，它的作用原理與電刺激相似，同時在腦神經和深部神經刺激中具有更突出的優勢[7-8]。本課題組自2008年始，開展了磁刺激穴位作用效應等領域的相關研究，取得了很好的研究成果[9-12]。

近幾年，腦網絡研究已經成為神經信息科學的熱門領域。隨著腦影像技術的飛速發展，腦信號（Electroencephalograme，EEG）采集更為精確，這也進一步推動了對大腦的探索及研究。與此同時，諸多學者開展了穴位刺激相關的腦網絡研究。李諾等[13]在2011年研究了針刺足三里穴位的腦功能網絡，發現刺激足三里有提高腦部遠端區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行處理與網絡分析，發現針刺可以增強某些腦區的關聯強度，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元穴的腦功能網絡研究，發現針刺足三里產生的網絡連接強于針刺關元穴。尹寧等[16]于2013年在國內首次進行了磁刺激內關穴的研究，發現磁刺激內關穴時所構建的腦功能網絡的“小世界”屬性增強，大腦各腦區間信息傳遞有效提高。付靈弟[17]構建了磁刺激不同穴位腦功能網絡，發現磁刺激不同穴位時，腦網絡局部屬性網絡指標在相同以及不同腦功能區上變化差異較大。

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行刺激，提取被試刺激前后的腦電信號，通過構建并分析不同狀態下的腦功能網絡，探討磁刺激穴位對亞健康失眠的作用效應。

1 材料與方法

1.1 數據來源及預處理

依據匹茲堡睡眠指數量表，9名在校大學生（6男，3女）作為被試自愿參加了本次實驗，年齡在23～26歲之間，均為右利手，無任何精神病史。匹茲堡睡眠指數量表得分顯示各被試均處于亞健康失眠狀態。實驗開始前，所有被試者均被告知實驗注意事項，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。通過咨詢天津市北辰中醫醫院專家，實驗選取了神門、內關和三陰交作為刺激的配穴。磁刺激設備為英國Magstim公司的Rapid2重復脈沖磁刺激儀，8字形線圈，刺激強度為設備最大輸出強度（2.2 T）的80%，刺激頻率為1 Hz。實驗時，磁刺激線圈中心位置處于穴位上方1 cm處，調整線圈方向保證磁場方向與穴位所處位置垂直。實驗流程圖，見圖1。

圖1 實驗流程圖

腦電采集設備采用美國Neuroscan公司的ESI-128 EEG/ERP系統，每次采集64導，電極排列依據國際10～20電極放置法。信號經SynAmps第二代放大器放大500倍后，進行離線式數據處理，過程包括：① 預覽采集的EEG信號；② 剔除發生明顯漂移的EEG數據；③ 去除眼電偽跡；④進行0.5～40 Hz 有限長單位沖激響應濾波器帶通濾波預處理。經過預處理之后，分別截取被試刺激前、后的EEG數據15000點，用于構建復雜腦功能網絡。

1.2 互相關系數算法

腦電的相關特性分析（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，所得到的相關系數可以用來揭示兩通道腦電信號之間相關程度的強弱[18]。其中互相關系數算法是最常用算法之一。

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

其中，i，j分別代表兩個通道的采樣點，n表示數據點的總個數，k表示x和y采樣點之間的延遲時間。若x和y同步采集的，那么Rxy可以進一步簡化為：

由上述公式計算得到的互相關系數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聯程度（其取值在0和1之間）。Rxy越接近1，表示相關程度越高，越接近0，表示相關程度越低。

1.3 復雜腦功能網絡的構建

復雜腦功能網絡構建需要進行3部分工作：節點的選取、閾值的選取和網絡的連接邊。

（1）節點選取。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），節點直接選取每個電極所測量的大腦區域。

圖2 電極分布示意圖

（2）閾值選取。得到關聯矩陣后，需要選取合適是閾值來構建二值矩陣。閾值選取非常關鍵，若選取不當，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矩陣進行加和平均后，再進行二值化，閾值選取磁刺激前（靜息態）的平均相關矩陣為基準，使網絡盡可能稀疏又要避免全連接的現象出現。當節點間關系強度大于所選閾值時，二值矩陣相應位置設置為1，否則設置為0。

（3）邊的連接。當二值矩陣數值為1時，在所對應節點之間建立連接邊；數值為0時，不建立連接邊。根據上述原則，分別構建刺激前（靜息態）和磁刺激后的腦功能網絡。

1.4 腦網絡特征參數

復雜網絡特征參數有度、聚類系數、平均路徑長度、全局效率等。本文采用上述參數對所建立的腦功能網絡進行分析，通過對比亞健康失眠被試靜息態和磁刺激穴位后的腦功能網絡拓撲結構及特征參數的差異性，研究了磁刺激穴位對大腦功能網絡的影響。

（1）平均度D。度是復雜網絡節點的屬性中最簡單但也是最重要的性質[18]。度被定義為一個通道節點與它相連的節點是數目，是反映局部屬性的一個重要指標，用k表示。往往度越大，其節點在網絡中的地位越重要。計算方法為：

式中，A表示關聯系數值。

平均度是衡量整個網絡規模大小的一項重要指標，用D表示。其計算方法比較簡單，是所有節點度的均值。

其中N表示網絡中的節點數，ki表示網絡中第i個節點的度。

（2）聚類系數C。聚類系數反映的是所給狀態兩個節點互為鄰居的可能性，衡量的是腦功能網絡的全局屬性和網絡內部聚集程度，即局部腦功能網絡內的神經元之間連接緊密程度[18]。Ci表示局部聚類系數，整個腦網絡的聚類系數C可由所有通道節點局部聚類系數Ci取平均得到。其表達式為：

式中，ki表示與節點i相連的節點個數，Ei表示與i的鄰居節點間存在的實際連接邊數，ki(ki-1)/2表示與節點i相連的ki個節點之間最多可能存在的邊數。

（3）平均路徑長度L。平均路徑長度表示網絡中任意兩個節點之間的最短路徑長度的平均值，它是衡量腦功能網絡全局屬性和反映網絡內部信息傳輸的關鍵參數[18]，用L表示。

式中，dij表示節點i和節點j之間的距離，N表示節點總數。

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

式中，N表示網絡中的節點個數，dij為節點i和節點j之間的距離。

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

（5）復雜腦網絡的“小世界”屬性。“小世界”表現為局部連接緊密成簇，且任意兩點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，是介于規則網絡和隨機網絡之間的一種網絡模型[20]。如果所研究的網絡相對于相同規模（具有相同節點數和網絡平均度）的隨機網絡而言具有較大的聚類系數和近似的最短路徑長度，即滿足：

則證明該網絡屬于“小世界”網絡范疇。其中，Creal和Lreal分別代表所構建的真實網絡的平均聚類系數和平均路徑長度，Creal和Lreal分別代表隨機網絡的平均聚類系數和平均路徑長度。

兩個度量指標可以統一成一個“小世界”屬性綜合指標σ=γ/λ。當σ＞1時，網絡具有“小世界”屬性，且σ越大說明該網絡的“小世界”屬性越強。小世界特性反映了網絡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 結果與分析

失眠被試刺激前和為期3天磁刺激穴位實驗后的腦電數據經過腦電預處理之后，計算相關系數，對9人刺激前后的相關系數進行平均，得到刺激前后的平均相關系數。分別對每個電極刺激前、后的腦電信號相關系數進行配對t檢驗，結果發現：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相關系數顯著升高（P＜0.05），右顳葉和右頂葉區相關系數顯著降低（P＜0.05）。部分電極處的相關系數比較，見圖3。

圖3 刺激前、后互相關系數對比

閾值選取是構建腦功能網絡極其關鍵的一步，閾值選取不合適，差異性就無法很好的體現。本文在閾值選取時，以刺激前相關系數矩陣為基礎，保證刺激前腦功能網絡盡可能稀疏同時避免全連接現象的出現，最終選取0.77作為二值化的閾值，構建了刺激前、后的腦功能網絡，結果見圖4。

圖4 閾值0.77時刺激前（a）和刺激后腦（b）網絡圖

通過對比刺激前后的腦網絡圖可以看出，磁刺激穴位后，額葉區、枕葉區以及左顳葉區連接有明顯增加，右顳葉區、右頂葉區有減弱的趨勢。

對所構建的磁刺激穴位前、后的腦功能網絡進行參數分析。其中參數包括各個節點的度Di、平均度D、聚類系數C、路徑長度L和全局效率E。

對腦網絡刺激前、后的各個節點度進行分析，繪制腦電地形圖，見圖5。觀察可以看出磁刺激穴位后，額葉區和枕葉區連接明顯增強。

對刺激前、后的各個節點度進行比較，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絡參數節點度的影響，其中大腦額葉區，枕葉區增強趨勢較為明顯，左腦顳葉區有加強趨勢，右腦顳葉區呈現減弱趨勢。

通過計算復雜腦功能網絡的平均度D、聚類系數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相比均有變化，其中平均度、聚類系數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雜腦網絡區域間內部連通性變強，對信息交流效果產生一定的改善作用。

圖5 刺激前（a）和刺激后（b）節點度地形圖

圖6 磁刺激前、后節點度加強點

圖7 磁刺激前、后節點度減弱點

表1 網絡參數

結合幾個特征參數之間的聯系，計算“小世界”網絡，磁刺激穴位前、后的綜合參數σ均大于1，可以說明所構建的磁刺激穴位腦功能網絡前、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，網絡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系數進行比較分析，發現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、枕葉區具有顯著性提高，同時左腦顳葉區、頂葉區也有顯著性提高，與之相反的是右腦頂葉區和顳葉區具有顯著性降低。關聯特性的強弱變化影響腦網絡信息傳遞的速率。

對磁刺激前后的腦功能網絡及其網絡參數進行研究與分析，發現磁刺激后，平均度、聚類系數和全局效率增大，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絡中的傳遞快遞的指標，主要用來刻畫大腦在特定狀態下能量及物質消耗的是否“經濟”，因此可以看出磁刺激穴位后，亞健康失眠患者的大腦區域的內部連通性和信息交流效果具有一定的改善作用。

通過計算亞健康失眠患者在磁刺激穴位前后的“小世界”屬性，發現無論是在刺激前狀態還是刺激后狀態，構建的腦網絡都具有“小世界”屬性，該結果說明磁刺激穴位不會改變腦功能網絡的基本屬性，這與之前尹寧等[19]磁刺激穴位對腦功能的影響結論一致。而且研究進一步發現，磁刺激穴位后，“小世界”屬性有所增強。小世界特性，反映了大腦網絡能夠同時滿足局部和整體信息處理的需要，腦區內緊密連接，腦區間相對稀疏，這有利于增強局部特化的信息處理和整個網絡的信息整合[20]。

由于被試數據量較少，后期需要加大被試數量，嚴格控制實驗條件，使研究更加準確。同時，增設對照組，對比健康被試大腦功能網絡，進一步探索磁刺激穴位對亞健康失眠患者的作用效應。

4 結論

本文基于EEG，采取復雜腦網絡分析方法，把亞健康失眠作為切入點，來研究磁刺激穴位對大腦功能網絡產生的影響。利用互相關方法，對多通道腦電信號進行了關聯特性分析，并在此基礎上構建了靜息態和磁刺激穴位的亞健康失眠患者的大腦功能網絡。利用復雜腦功能網絡的特征參數對磁刺激穴位前、后的腦功能網絡進行深入研究與分析，探索磁刺激穴位對亞健康失眠患者的效果。結果發現，磁刺激穴位后與刺激前相比，亞健康失眠患者的復雜腦功能網絡的平均度、聚類系數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，信息在大腦區域間的傳遞更加有效。

[1]王春華,胡玲,劉磊,等.亞健康狀態人群的疲勞與免疫指標相關性研究[J].中醫藥臨床雜志,2015,(1):21.

[2]Vincent N,Walsh K,Chiang D.Control and coping in chronic insomnia: a daily diary study[J].Behav Res Ther,2013,51(6):240-246.

[3]唐書輝.睡眠剝奪對腦網絡的影響[D].重慶:西南大學,2016.

[4]彭勁,顧星.針灸治療亞健康失眠的研究進展[J].中醫藥導報,2016,(4):107-109.

[5]陳日新.針灸作用的影響因素[J].江西中醫藥大學學報,2008,20(1):46-51.

[6]Nozomi A,Kazuo O,Hidehiko O.Analgesic effect of magnetic stimulation on paclitaxel-induced peripheral neuropathic pain in mice[J].Brain Res,2012,1461(21):24-29.

[7]Moron C,Ramirez P,Tremps E,et al.Transcranial magnetic stimulation study[J].Sens Lett,2013,11(1):177-179.

[8]梁雅慧.重復經顱磁刺激對認知功能影響的研究進展[J].中國康復醫學雜志,2015,30(9):959-962.

[9]Yu HL,Xu GZ,Zhou Q,et al.Characteristics under magnetic stimulation at acupuncture point and at mock point[J].IEEE Trans Magn,2012,48(11):2857-2860.

[10]于洪麗,徐桂芝,楊碩,等.磁刺激穴位鎮痛誘發的腦電信號特征成分及源定位[J].中國組織工程研究,2011,15(9):1639-1642.

[11]Yu H,Xu G,Yang S,et al.Activation of cerebral cortex evoked by magnetic stimulation at acupuncture point[J].IEEE Trans Magn,2011,47(10):3052-3055.

[12]張蔚.針刺足三里穴得氣與非得氣的大腦功能成像對比研究[J].中國醫療設備,2011,26(12):38-41.

[13]李諾,王江,鄧斌,等.針刺對腦功能性網絡連接的影響[J].針刺研究,2011,36(4):278-287.

[14]王海洋,王江,李紅利,等.針刺過程中大腦功能性網絡特性的演化[J].吉林大學學報(理學版),2012,20(1):81-88.

[15]方繼良,王小玲,王寅,等.電針正常人足三里和關元穴中樞效應的fMRI腦功能成像比較[J].針刺研究,2012,37(1):46-52.

[16]尹寧,徐桂芝,周茜.磁刺激穴位復雜腦功能網絡構建與分析[J].物理學報,2013,62(11):118704.

[17]付靈弟.磁刺激不同穴位腦功能網絡研究[D].天津:河北工業大學,2014.

[18]尹寧.基于腦電的磁刺激穴位復雜腦功能網絡研究[D].天津:河北工業大學,2013.

[19]尹寧,徐桂芝,于洪麗,等.磁刺激穴位對大腦功能網絡的影響[J].中國生物醫學工程學報,2013,32(2):184-190.

[20]郁蕓,錢志余,陶玲,等.靜息態腦功能網絡的小世界屬性研究[J].北京生物醫學工程,2016,35(1):105-108.