磁刺激光明穴的脑电响应的脑功能网络构建与分析

邢阳阳 耿跃华* 张 欣 于洪丽 徐桂芝

1(河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130)2(天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387)

磁刺激光明穴的脑电响应的脑功能网络构建与分析

邢阳阳1耿跃华1*张 欣2于洪丽1徐桂芝1

1(河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130)2(天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津 300387)

经颅磁刺激技术与中医穴位刺激相结合的研究和应用，近年来已经取得一定进展，图论理论在脑科学研究领域中也进行一些探索，这些理论和技术的交叉与结合将为神经磁刺激技术的应用和脑科学的研究开启新的方向。利用互相关方法对磁刺激光明穴和假穴的脑电信号进行了两两通道间的线性时域关联特性分析，得出各通道间脑电数据的相关数量关系，并且以相关矩阵的形式表示，通过阈值大小的设定获取邻接矩阵，分别构建磁刺激光明穴与磁刺激假穴实验状态下脑电信号的脑功能网络图。结果发现，磁刺激光明穴的脑功能连接相比于磁刺激假穴的脑功能连接在枕叶(视觉联络区)、额叶区显著增多。利用基于图论的复杂网络理论，对所构建的脑功能网络特性参数进行参数比较和统计学分析。磁刺激光明穴使得脑功能网络发生变化，主要包括网络平均度增大、聚类系数增大、特征路径长度减小、全局效率和局部效率提高、小世界属性增强，并且这些差异经过统计学检验在均值差值上都有量化体现，通过统计检验发现磁刺激光明穴引起的脑功能网络参数的改变具有显著性差异(P<0.05)。研究提示，磁刺激光明穴相比磁刺激假穴，可以提高脑功能网络的全局效率和局部效率，缩短信息传播路径，使各个脑区之间的信息传递更加高效，为磁刺激技术施加于穴位改善神经功能提供一定的理论依据。

磁刺激；穴位；脑电信号；脑功能网络；互相关

引言

经颅磁刺激技术(transcranial magnetic stimulation，TMS)是20世纪80年代中期发展起来的一种无创的在大脑外部对神经细胞进行刺激的电生理技术,它是一种可以影响和改变大脑功能的生物刺激技术,它是利用时变磁场作用于大脑皮层产生感应电流，改变皮层神经细胞的动作电位，从而影响脑内代谢和神经电活动的生物刺激技术,但这种技术不对神经组织造成损伤，即具有安全的神经调节能力[1]。在实际应用中，TMS并不只局限于大脑的刺激，外周神经肌肉同样可以作为刺激对象，因此该技术也可以称为“磁刺激技术”。

磁刺激也可以在人体穴位神经处产生感应电流，从而使神经和组织产生兴奋性[2]。相比针刺技术，磁刺激技术弥补了针刺技术给患者和被试造成疼痛感的不足，具有无痛、无创、操作简单、方便等特点；相比电刺激技术，磁刺激技术更容易实现颅内的深部刺激，并且无创伤，人体不适感微乎其微。 磁刺激技术的出现弥补了针刺技术和电刺激技术的不足和缺陷，它作为一种具有巨大潜力的神经刺激技术得到越来越多的应用。磁刺激穴位可以等效为大脑神经系统的一种外部刺激，对研究大脑之间的交互作用具有重要意义。

基于脑电信号(electroencephalogram，EEG)的脑功能网络分析可以通过分析记录在不同脑区且空间上分离的信号，研究它们时间上的相关性和因果关系，从而了解大脑不同脑区之间的交互工作模式。2007年，Stam在对阿兹海默症患者的脑功能网络研究中发现，阿兹海默症患者的脑功能网络特征路径长度明显高于正常人，并且与患病的严重程度有关[3]。这一结果也表明，阿兹海默症患者的脑区之间的信息传递效率降低。Micheloyannis等分别探索了不同的教育程度和年龄是否对大脑的功能网络属性有所影响，在对不同教育程度的研究中采用正常被试的脑电数据构建了网络规模为 28 个节点的大脑功能网络[4-5]。研究结果发现，教育程度的高低与脑功能网络的“小世界”属性相关，并且教育程度越低，小世界属性的表现越强。之后在分析年龄对大脑功能网络属性的影响时，分别建立了儿童和成年人的脑网络，同样选择了 28 个网络节点，通过对构建好的脑功能网络的分析研究发现，随着年龄的增长，大脑功能网络的小世界属性会有所下降。Ponten等利用同步似然性构建了癫痫患者脑电信号在癫痫发作不同阶段的脑功能网络，并通过对网络属性的分析发现癫痫在发病中和发病后，脑功能网络的特征路径长度会增大[6]。Dimitriadis等也对正常被试睡眠阶段的脑电信号进行了脑功能网络的研究，发现在睡眠的不同阶段，大脑功能网络的拓扑结构存在显著性差异[7]。众多研究者对针刺穴位对大脑相关脑功能网络的影响进行了研究，探索中医针灸的机理[8-9]。李诺和Luo等基于脑电图，构建了针刺足三里穴的脑功能网络，研究发现针刺足三里穴对加快相关脑区之间的信息交流具有调节作用[10]。张欣等对正常人光明穴进行重复脉冲磁刺激并观测脑电信号，与非穴位点磁刺激的脑电信号进行对比，并同时对比磁刺激光明穴前、中、后视觉刺激产生的脑电信号样本熵值的差异，结果发现磁刺激光明穴对人体脑电信号影响显著[11]。郭磊等利用基于近似熵对磁刺激内关穴的脑功能网络的构建和分析发现，磁刺激内关穴可以改变网络的拓扑结构。[12]

本研究从脑功能网络的角度分析磁刺激光明穴对脑电信号的影响，期望从网络连接及其网络属性的角度发现磁刺激光明穴对脑功能影响的区域定位及区域关联性指标。

1 实验和方法

1.1 实验

8名在校大学生自愿参加本次实验，年龄在20～25岁之间，皆为右利手，无精神病史，无药物依赖史。实验前告知被试保持安静、闭眼状态，无定向思维，处于放松状态。实验过程中保持周围环境安静、舒适。磁刺激实验采用英国Magstim公司的Rapid2重复脉冲磁刺激仪。刺激线圈为8字形线圈，8字型线圈聚焦性能好，空间分辨率高，其性能满足本次实验需求。刺激强度为1.76 T，刺激频率为1 Hz，刺激时间各120 s，刺激模式为重复刺激模式，各参数选择均为在满足安全性的前提下，在参考以往磁刺激研究和实验的参数下设定本次实验参数区间[13]，在参数区间内对20名健康人进行刺激，以不同被试穴位区域出现类似于针灸的麻胀感为设定参数指征，实验结果发现在最大刺激强度80%上下即1.76 T左右，20名被试被刺激穴位在磁刺激120 s后均出现类似于针灸的麻胀感，所以本次实验参数设定为刺激强度为1.76 T，刺激频率为1 Hz，刺激时间各120 s。本次实验采取自对照的方式进行，即每名被试分别采集磁刺激光明穴和磁刺激假穴的脑电信号。实验状态如图1所示，图中标示出了刺激的靶点即光明穴和假穴的位置。

图1 刺激靶点示意图Fig1 Schematic diagram of the stimulus target

1.2 方法

1.2.1 EEG数据的预处理

将磁刺激实验过程中采集的脑电信号进行预处理操作，预处理主要包括：剔除明显漂移的数据、去除眼电伪迹、进行0.5～40.0 Hz的带通滤波等预处理、分段等，分别截取每个被试磁刺激光明穴和磁刺激假穴各50 s的脑电数据，以备进行下一步复杂脑功能网络的构建与分析。

1.2.2 脑电信号关联特性分析

在每组实验所提取的64导数据中，由于每个被试的每组实验都有个别电极存在接触不良的情况，将所有存在信号失真的电极全部剔除，最终提取的有效通道数为57导。针对统一好的数据，对每个被试者选取50个周期约50 s(50 000个数据点)多通道时间序列，利用皮尔逊相关系数公式作关联特性分析，求取50次关联矩阵，最后取平均得到最后的关联矩阵A，用以表征各个通道之间的同步性以及紧密程度，其中皮尔逊相关系数公式为

(1)

1.2.3 脑功能网络的构建

复杂网络由节点和节点之间的边构成。节点选取的原则是大脑各个区域应该能够尽量理想地被代表，并且能够保持节点外部的独立性与内部的一致性[14]。这是因为节点外部的独立性可以体现节点即脑区之间的固有差异性，内部一致性可以保证节点内部含有相同的信息流。基于EEG数据的脑功能网络构建，可以采取两种方法定义节点，一种是利用头皮表面电极定义节点(即一个电极就是一个节点)，另一种是利用皮层定义节点。由于EEG本身具有可以反映大脑内部神经活动的优点，所以文研究在定义节点时，定义位于头皮表面的57个电极为节点。

在基于EEG的脑功能网络构建过程中，选取边的主要方法是通过度量不同节点的时间序列的相关性获取相关系数，通过选取合适的阈值来定义节点之间是否有边存在。

已有研究证明，人脑是一个典型的小世界网络。根据Erdös-Rényi的随即图模型[15]，如果要保证具有N个节点的图是全连接，其连接稀疏度应该大于2lnN/N。此外，应该保证它的小世界属性值σ远大于 1。因此，本研究在保证最小稀疏度的基础上根据小世界属性值σ选择阈值，从而可以保证网络在具有小世界属性的同时，尽可能地去除伪连接[16-17]。本次构建的脑功能网络共有57个节点，最小稀疏度应为2lnN/N≈0.14，设定小世界属性值σ=1.1，根据研究得知最大稀疏度阈值为0.60。所以，本研究选定的阈值范围为0.14

1.2.4 基于EEG的脑功能网络参数分析

(2)

2)特征路径长度。描述了网络中任意两个节点间的最短路径的平均值，定义为

(3)

式中，V是整个节点的集合。

3)聚类系数。它是衡量网络集团化程度的参数，是度量网络属性的另一个重要参数，表示一个节点的邻居间互为邻居的可能性。某一节点i的聚类系数Ci的值等于它的邻居中存在边的数目(ei)与可能的连边数目(ki(ki-1)/2)的比值，即

(4)

网络中所有节点聚类系数的平均值为网络的聚类系数，即

(5)

式中，0≤C≤1,该指标反映了一个网络的局部集聚程度。

4)网络效率。网络效率用其求解公式既可以衡量局部效率也可以衡量全局效率，并且能够直接应用到非联通矩阵和非稀疏矩阵。全局效率代表了网络整体的信息传输能力，局部效率代表了局部的信息传输能力或者错误容忍度。全局效率和局部效率计算公式为

(6)

式中，N为节点，lij为节点i和j之间的最短路径长度。

(7)

其中

(8)

式中，Vi表示节点i的邻居节点组成的子图。

5)小世界属性σ。Watts和Storgate提出可以将随机网络模型作为基准来评测复杂网络的小世界属性[18]，有

(9)

(10)

Humphries等将式(8)、(9)所提到的小世界属相的指标合并为了一个综合的衡量指标[19]，即

(11)

σ值的大小反映网络小世界属性的强弱，值越大，小世界属性越强。

2 结果

2.1 脑功能网络构建

本研究在完成数据的预处理和相关性分析后，在阈值区间内分别构建了脑功能网络连接图。图2是其中一名被试在稀疏度阈值S=0.33时的脑功能连接图。可以直观地看出，磁刺激光明穴的脑功能连接相比磁刺激假穴的脑功能连接，在枕叶(视觉联络区)、额叶区显著增多。

图2 磁刺激穴位脑功能连接图。(a)磁刺激光明穴脑连接图；(b)磁刺激假穴脑连接图Fig.2 Magnetic stimulation point of brain function connection diagram. (a) Magnetic stimulation Guangming point brain connection diagram；(b) Magnetic stimulation the mock point brain connection diagram

2.2 脑功能网络参数比较

图3 网络参数曲线。(a)平均度曲线；(b)特征路径长度曲线；(c)聚类系数曲线；(d)全局效率曲线；(e)局部效率曲线；(f)小世界属性σ曲线Fig.3 Network parameter curve diagram.(a)The average degree of the graph;(b)Characteristic path length graph;(c)Clustering coefficient graph;(d)Global efficiency graph;(e)Local efficiency graph;(f)Small world properties σ graph

依据基于复杂网络理论的计算和分析方法，本研究构建了在阈值区间内一系列的磁刺激光明穴和磁刺激假穴的脑功能网络，并且计算了每一名被试在不同阈值下的脑功能网络参数。图3(a)～(e)分别表示磁刺激光明穴和磁刺激假穴8名被试的脑功能网络在阈值区间内的网络平均度、特征路径长度、聚类系数、全局效率、局部效率的平均值变化曲线。从图3(a)中可以看出，磁刺激光明穴的脑功能网络平均度在阈值区间内均高于磁刺激假穴的脑功能网络平均度，磁刺激光明穴相比较于磁刺激假穴网络平均度增大；从图3(b)可以看出，磁刺激光明穴的特征路径长度略微低于磁刺激假穴的特征路径长度。在有些研究计算中，为了避免网络中节点间的不连通造成最短路径长度为无穷这一问题，通过计算网络中任意两个节点的调和平均数，即原始值倒数的平均的倒数来获取最短特征路径。值得注意的是，这样获得的最短特征路径在数值上等于全局效率的倒数[20]。本研究结果也满足此规律，磁刺激光明穴的脑网络最短特征路径低于磁刺激假穴，而磁刺激光明穴的脑网络全局效率高于磁刺激假穴。从图 3(c)可以看出，磁刺激光明穴的脑网络聚类系数高于磁刺激假穴的脑网络聚类系数；从图3(d)、(e)中可以看出，磁刺激光明穴的全局效率和局部效率均高于磁刺激假穴的脑功能网络全局效率和局部效率；图3(f)中可以看出，磁刺激光明穴的小世界属性σ值曲线高于磁刺激假穴的曲线。

网络参数曲线(见图3)仅能直观地反映不同实验状态下，各网络参数的变化趋势和整体差异，因此本研究对两种实验状态下的各网络参数进行了配对样本t检验，结果如表1所示。由此可知，磁刺激光明穴相对于磁刺激假穴网络平均度差值为0.55，相应的P=0.00；磁刺激光明穴特征路径长度相对于磁刺激假穴特征路径长度为-0.02，相应的P=0.01；磁刺激光明穴聚类系数相对于磁刺激假穴差值为0.02，相应的P=0.00；磁刺激光明穴全局效率相对于磁刺激假穴差值为0.01，相应的P=0.00；磁刺激光明穴全局效率相对于磁刺激假穴差值为0.01，相对P=0.00;磁刺激光明穴小世界属相σ相对于磁刺激假穴差值为0.07，相应的P=0.00。结合以上分析可知，磁刺激光明穴可以对脑功能网络造成影响，使得网络平均度增大，特征路径长度减小，聚类系数增大，全局效率提高，局部效率提高，小世界属相增强，并具有显著性差异。

如图4所示，随着度的增大，网络聚类系数增大，特征路径长度减小，全局效率提高。这一结果提示，网络中存在的边连接越多，越可以促使网络中更多的节点聚集到一起，使节点之间的路径长度变短，从而加快了节点之间的信息传输，提高了全局效率。

表1 配对样本t检验

注：检验的为磁刺激光明穴与磁刺激假穴两种状态的组间差异，表中所列均值、标准差都是针对差值的统计量。

Note：Test for the difference between the two groups, the table is the mean, the standard deviation is the difference between the statistics.

图4 随网络平均度变化的参数曲线。(a)聚类系数和特征路径长度随网络平均度的变化；(b)全局效率和特征路径长度随网络平均度的变化Fig.4 Parametric curves of degree change.(a)Clustering cofficeient and characteristic path length along with the change of degree;(b)Global efficiency and characteristic path length along with the change of degree

3 讨论

本研究意在从脑功能网络的角度探索磁刺激穴位对大脑调节机制的影响，也是对传统中医理论依据的一种全新的探索。有研究显示，针刺光明穴对视觉系统转导通路整合有一定的影响，并且针刺光明穴可显著提高近视患者的视力水平[21-22]；前人在对针刺穴位所得大脑功能磁共振的数据研究中发现，针刺某穴位可以引起大脑相应区域的神经生理兴奋[23]。本研究结合针刺穴位对大脑的影响，对磁刺激穴位的分析结果加以讨论。枕叶区主要功能是处理视觉信息，磁刺激光明穴相比磁刺激假穴，大脑枕叶区的连接数目增多，推测在光明穴接受到磁刺激后，提高了枕区及其邻近脑区的活跃性。各项脑功能网络参数平均值的分析，脑功能网络平均度的增大，即节点度增大，亦即连接该节点的边数增多，推测磁刺激光明穴可以使脑区间的功能性连接增强，提高脑区活跃性；特征路径长度的降低，推测磁刺激光明穴可以提高脑网络间信息的传输速度，提高了网络效率；聚类系数的增强，表示网络集群程度提高，网络间联系更加紧密；磁刺激光明穴脑功能网络全局效率的提高，推测磁刺激光明穴可以使对应脑区之间的信息能够更加有效地传播；磁刺激光明穴的脑功能网络局部效率的提高，推测邻居节点之间的信息交流加快；磁刺激光明穴脑功能网络小世界属性提高，即网络的拓扑结构更加紧凑，脑区间的交流加强。通过对聚类系数、特征路径长度、全局效率及局部效率依据网络平均度的变化，推得各项网络参数的变化并不是独立的，而是相互依存的，是各项网络参数共同变化引发了相关脑区连接和活跃性的变化。

由以上分析讨论可知，磁刺激光明穴可以改变相应脑区的连接，使得大脑相应脑区的神经兴奋，同针灸穴位达到了类似的效果，但却避免了针灸带来的不适和疼痛，为某些疾病的治疗提供了新思路。

本研究所选取的被试均为正常被试，虽然能够为相关疾病的治疗提供参考，但并未探究出治疗相关疾病或辅助治疗相关疾病的量化结果。所以，下一步的研究计划在患有眼部相关疾病的被试身上展开，期望探索到有利于眼部疾病治疗的磁刺激量化值。在构建脑功能网络的过程中，笔者发现选取构建脑功能网络的阈值目前并没有公认的方法，而阈值选取的不同给脑功能网络的构建带来差异，在选取阈值过程中只采用了一种方法，没有进一步考虑其他阈值方法，这将会是下一步研究的一个方向。

4 结论

本次对脑功能网络的构建和分析利用的是基于图论的复杂网络分析方法。利用皮尔逊相关分析，对多通道的脑电信号进行了线性关联特性分析，构建出了磁刺激光明穴和磁刺激假穴的脑功能网络，探究出磁刺激光明穴对脑功能网络具有一定的影响。通过对所构建脑功能网络连接程度和网络参数的分析，得出磁刺激光明穴对脑功能网络具有积极的影响，可以加快脑区间信息的交流和传递，并且这种影响并不只体现在单一独立的脑区，对大脑多个脑区之间都存在积极的影响。这说明，大脑是一个协同工作的整体，每一项指令的发出都不是单一脑区作用的结果。

磁刺激技术是一种具有广阔应用前景的生物组织刺激技术，它从出现至今已经成为了研究领域和临床应用中的重要技术手段，磁刺激技术的广泛应用，为多种疾病的治疗提供了新的技术手段，也为研究者对大脑机制的探索开辟了新的方向。

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The Construction and Analysis of Brain Functional Network on the EEG Response of Magnetic Stimulation at Guangming Point

Xing Yangyang1Geng Yuehua1*Zhang Xin2Yu Hongli1Xu Guizhi1

1(HebeiProvincialKeyLaboratoryofElectromagneticFieldandElectricalReliability,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)2(KeyLaboratoryofAdvancedElectricalEngineeringandEnergyTechnology,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Recently, the research and application on the combination of transcranial magnetic stimulation(TMS) and acupoint stimulation by traditional Chinese medicine has made some progress, graph theory has also been explored in the field of brain research. The combination of these theories and techniques will bring outa new direction for the application of neural magnetic stimulation and research of brain science. In this paper, the linear time domain correlation analysis of EEG between two channels of the magnetic stimulation at Guangming point and the mock point were carried out, each channel of the diencephalon electric data related to the number and the form of correlation matrix was determined by setting the size threshold for obtaining adjacency matrix. The brain functional network was constructed by the signals of the two experimental states. Results showed that the brain function of the laser beam was significantly increased than that of the occipital lobe (visual contact area) and the frontal area. Based on the graph theory, complex network theory was used to compare the parameters of the characteristic parameters of the brain function network.Magnetic acupuncture point laser made the brain functional network changed, the average degree of network and clustering coefficient were increased, and the characteristic path length decreased; meanwhile, the global efficiency and local efficiencywere improved, the property of small world was enhanced, all of which were statistically different.This work provided a theoretical basis for the application of magnetic stimulation technology in improving the nerve function of acupoints.

magnetic stimulation; acupoint; electroencephalogram (EEG); brain function network; cross correlation

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 06.007

2016-01-20， 录用日期:2016-07-28

国家自然科学基金(51377045, 51577131, 31400844, 31100711)

R318

A

0258-8021(2016) 06-0684-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: 2522625@qq.com