基于经颅交流电刺激的脑功能网络研究

董国亚，石静，杨慧，田森，于洪丽

（河北工业大学电气工程学院，天津300401）

基于经颅交流电刺激的脑功能网络研究

董国亚，石静，杨慧，田森，于洪丽

（河北工业大学电气工程学院，天津300401）

经颅交流电刺激（transcranial Alternating Current Stimulation，tACS）是一种通过在头皮施加微弱电流的非侵入性电刺激技术，已有研究证实经颅交流电刺激会对大脑的全局属性产生影响.本文使用脑电相位同步方法构建了刺激组和对照组刺激前、后静息态脑网络，并计算聚类系数、平均度、特征路径长度3种网络参数，来研究大脑各区域间的相关性.分析发现3种网络参数中，只有刺激组的特征路径长度在刺激后有明显下降，而对照组没有出现这种现象.特征路径长度的大小代表了大脑各区域间信息传递速度的快慢，说明经颅交流电刺激可以增强大脑各区域间的关联性，加快各区域的信息传递速度.

经颅交流电刺激；脑功能网络；网络参数；特征路径长度

0 引言

基于脑电图、脑磁图、功能核磁共振的脑功能网络研究结果揭示了大脑解剖网络结构及功能网络结构的特征，证明复杂脑网络研究理论是分析大脑结构和功能的一种有效工具[1-2].通过在头皮进行无损的经颅磁刺激和经颅电刺激正在成为脑认知和康复的研究热点之一.有研究显示，3 Hz的经颅磁刺激可以改变大脑功能网络的平均度、平均聚类系数和全局效率，刺激后，这3种参数均比刺激前有显著升高，并且刺激后平均路径长度显著降低，说明经颅刺激可以对大脑神经网络产生影响[3].经颅直流电刺激作用于大脑后，大脑功能网络也会受到影响[4-5].例如，Polanía等人[5]将经颅直流电刺激作用于被试的头部运动区，结果发现刺激后的大脑半球的前运动区、运动区以及感觉运动区的功能连接都有明显增加，说明经颅直流电刺激可以影响到大脑神经网络.

经颅交流电刺激作为一种非侵入式的刺激技术，目前受到了很多研究者的关注[6-7].为了探究经颅交流电刺激对大脑神经功能网络的影响，本文检测了经颅交流电刺激前、后的脑电信号，并进行了脑网络的分析研究.

1 实验方法

选择15名在校大学生作为被试，其中男生有8名，女生有7名，被试在实验阶段身体状态良好。脑电信号采集时使用的是NeuroScan公司的脑电记录系统，以及按国际标准10～20系统扩展的64导电极帽，选用其中52导脑电信号，并按照电极帽从前额叶到枕叶的方向对使用的电极进行编号，电极编号范围是1到52，对应了大脑从前到后的大部分电极。实验中用到的刺激电极是粘胶电极，大小为2 cm×2 cm，将粘胶电极放置在由10～20系统扩展后的64导电极帽的Cz电极和Oz电极位置.在实验中，设置刺激仪器输出正弦波形电流.

电刺激实验的具体流程如图1所示，首先对被试进行2 min的个人alpha频率（Individual alpha Frequency，IAF）测定，然后进行5 min的阈值采集，以确定对该被试采用的刺激电流强度。首先采集5 min刺激前的静息态的脑电数据，接着进行20 min的电流刺激（或伪刺激），刺激结束后，采集10 min静息态数据.

图1 实验流程图Fig.1 The experimental flow

为了保证被试在刺激前、后都能保证清醒状态，在刺激前、后的过程中都伴有听觉警觉刺激.图中有灰色底纹的区域是伴有听觉警觉实验的，该实验是指在进行静息态脑电数据采集以及电刺激过程中，被试会听到由500 Hz（占80%）和1 000 Hz（占20%）组成的声音片段.该听觉警觉刺激不会对静息态脑电数据的采集造成影响.整个采集过程结束后，对被试进行问卷调查.

实验结束后，对采集到的刺激前、后的静息态脑电信号（包括对照组和刺激组）进行预处理，包括滤波、去伪迹等处理后，用于后面关联矩阵的构建.

2 分析方法原理

目前有多种线性和非线性方法可以用来量化导联关联性[8-9].不同的度量方法各有特点，例如Pearson相关是衡量两个变量间相互关系的最简单的线性算法；而相位同步方法是非线性算法，适合检测两个信号之间的相位关系.本文选择使用相位同步法进行网络构建，以便更好的分析不同通道信号间的同步关系.

基于Hilbert变换的相位同步算法的计算过程中要把窄带信号分解为幅度和相位两部分，分析的是两个信号之间的相位信息关系.该方法适用于分析两个振荡波形之间的关系，在脑电信号的分析中被广泛应用.

对于单独的EEG信号x（t），其解析信号可以定义为

3 脑网络构建及网络参数分析结果

3.1 关联矩阵构建

截取刺激前、后的静息态数据各128 s，均分为16段，每段时长8 s，使用相位同步法计算刺激前后静息态关联矩阵，得到的结果如图2所示.图2中a）、b）对应对照组刺激前、刺激后的关联矩阵，c）对应对照组刺激前、后关联矩阵的差值矩阵；d）、e）对应刺激组刺激前、刺激后的关联矩阵，f）对应刺激组刺激前后关联矩阵的差值矩阵.

图2 相位同步算法构建的关联矩阵Fig.2 The incidence matrix under phase synchronization

由图2 c）和图2 f）可以看到，刺激后的对照组和刺激组相位同步指数都呈现了增大的现象.对照组2 c）中横坐标编号40～52对应纵坐标30～52之间区域的同步指数增大现象比其他区域明显，而刺激组2 f）中各个区域都出现了同步指数增大现象.刺激组同步指数的增大现象比对照组更明显，说明电刺激使各通道间的同步性增强，因此同步性指数出现增大现象.并且从图2 f）中可以看到，电刺激后，所有区域的同步指数都出现了增大，说明电刺激对大脑的影响是全局的.图2 f）中编号20～30通道间的同步性指数增大现象最明显，说明刺激后，中央运动区受到的影响最明显.

3.2 网络参数计算结果

选取合适的阈值[10]在脑功能网络构建中占有很重要的地位，本研究中阈值选取的原则是：计算出网络中所有节点的度的均值即平均度来确定阈值.一般来说平均度k的取值范围是3～10，有些研究中k的取值方法是取k＞2lnN，其中N为网络总的节点数.在本研究中，选取了52导的脑电数据，因此网络节点数N为52.选取k＞2lnN≈8，获得所有样本k≥8的最大阈值T1，然后将k的值设为10，得到最小阈值T2，此时阈值T的取值范围为T2≤T≤T1.在T的取值范围内设置合适的步长，分别取值构建二值化矩阵，并计算不同阈值下的各类网络参数.

图3 相位同步法静息态网络参数随阈值变化结果Fig.3 Changes of resting state network parameters through phase synchronization with change of threshold

对相位同步法计算得到的静息态关联矩阵进行处理，当k=8时，T=0.61；当k=10时，T=0.53，因此阈值取值范围是[0.53∶0.6]，以0.02为步长，构建阈值分别取0.53、0.55、0.57、0.59、0.61时的二值矩阵，并计算相应的网络参数.得到静息态对照组和刺激组刺激前后网络参数的对比结果如图3所示.图中标注为“pre”的为刺激前数据，标注为“post”的为刺激后数据.对照组和刺激组3种网络参数的变化趋势一致，从图3中可以发现，对照组和刺激组聚类系数随着阈值增大而降低，且刺激后聚类系数都大于刺激前；而平均度随着阈值增大而降低，且刺激后平均度的值也比刺激前略大；特征路径长度的大小在刺激后都小于刺激前.

从图3 f）可以看出，刺激组的特征路径长度在刺激后有明显下降，整体小于刺激前.而特征路径长度的大小代表了各节点间信息传递速度的快慢，说明刺激组在刺激后，各通道间的信息传递速度加快了，这与关联矩阵结果分析中相位同步指数的增大是相对应的.从图3 c）可以看到，对照组的特征路径长度也出现了下降现象，并且随着阈值增大，下降幅度也逐渐增大，但整体的下降幅度都小于刺激组，这说明电刺激对特征路径长度产生了更显著影响.

4 讨论

本文使用了相位同步算法构建关联矩阵，研究发现电刺激后大脑各区域间的同步性增强.通过计算3种网络参数发现，3种网络参数在刺激前、后的变化趋势是一致的；刺激组的特征路径长度在刺激后有明显的整体减小，说明电刺激使得大脑各区域间的联系更加紧密了.综上所述，经颅交流电刺激可以增强大脑各区域间的同步性，加快各区域的信息传递速度.

虽然从连接矩阵图来看，电刺激使得大脑各通道间同步性有所提升，但网络参数分析却显示，除特征路径长度在刺激后有明显的整体减小，聚类系数和平均度在刺激前、后没有显著差异.另外在本课题中仅使用了非线性算法中的相位同步法构建关联矩阵，使用方法比较单一，所以结果也会有些片面，因此，在进一步的研究中可以使用多种算法构建关联矩阵，分析刺激组和对照组刺激前、后静息态脑网络的变化，通过多种分析方法对网络参数进行分析，进一步探讨电刺激对脑功能网络产生影响的作用机制.

[1]He Y，Chen Z J，Evans A C.Small-world anatomical networks in the human brain revealed by cortical thickness from MRI[J].Cerebral cortex，2007，17（10）：2407-2419.

[2]Olesen P J，Nagy Z，Westerberg H，et al.Combined analysis of DTI and fMRI data reveals a joint maturation of white and grey matter in a fronto-parietal network[J].Cognitive Brain Research，2003，18（1）：48-57.

[3]尹宁，徐桂芝，周茜.磁刺激穴位复杂脑功能网络构建与分析[J].物理学报，2013，62（11）：118704-118704.

[4]Vanneste S，Focquaert F，Heyning P，et al.Different resting state brain activity and functional connectivity in patients who respond and not respond to bifrontal tDCS for tinnitus suppression[J].Experimental brain research，2011，210（2）：217-227.

[5]Polanía R，Nitsche M A，Paulus W.Modulating functional connectivity patterns and topological functional organization of the human brain with transcranial direct current stimulation[J].Human brain mapping，2011，32（8）：1236-1249.

[6]Kutchko K M，Fröhlich F.Emergence of metastable state dynamics in interconnected cortical networks with propagation delays[J].2013，26（4）：4-48.

[7]Berényi A，Belluscio M，Mao D，et al.Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation[J].Science，2012，337（6095）：735-737.

[8]He B，Dai Y，Astolfi L，et al.eConnectome：A MATLAB toolbox for mapping and imaging of brain functional connectivity[J].Journal of Neuroscience Methods，2011，195（2）：261-269.

[9]Weiss S A，Bassett D S，Rubinstein D，et al.Functional brain network characterization and adaptivity during task practice in healthy volunteers and people with schizophrenia1[J].Frontiers in Human Neuroscience，2011，5：1-14.

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[责任编辑 代俊秋]

The study of brain network based on transcranial Alternating Current Stimulation

DONG Guoya,SHI Jing,YANG Hui,TIAN Sen,YU Hongli
（School of Electrical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

Transcranial Alternating Current Stimulation is a non-invasive stimulation technique in which a weak current is applied across the scalp.Related studies have proved it can influence the brain global properties.In this paper,brain signal phase synchronization was used to construct the resting state brain network pre and post stimulation of control and stimulation group,three network parameters including Clustering coefficient,Average degree and Characteristic path length were analysed to research the correlation between different brain regions.Results showed that only Characteristic path length of stimulation group decreased after stimulation,but control group had no such result.Characteristic path length represents the speed of information transmission between different regions of the brain,thus showing that transcranial alternating current stimulation could increase the correlation between different brain regions,which,in turn,enhance the speed of information transmission among different regions.

transcranial Alternating Current Stimulation;brain function network;network parameters;Characteristic path length

R318

A

1007-2373（2017）02-0006-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.02.002

2016-12-05

国家自然科学基金（31400844）

董国亚（1971-），女，副教授，博士，dongguoya_hebut@163.com.通讯作者：于洪丽（1979-），女，副教授.