基于互相关方法的磁刺激穴位对亚健康失眠者的脑网络分析

吴霞，于洪丽，丁为国，郑威，陈静，魏丽

1.河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；2.天津市北辰中医医院，天津 300400

引言

随着工作和生活节奏的不断加快，越来越多的人处于亚健康状态。亚健康是健康与疾病的临界状态，虽然没有器质性的损害和疾病症状，但在主观上却有种种不适感。如果这种状态不能得到及时改善，很容易引起不可逆转的身心疾病[1]。失眠作为亚健康的常见症状，严重影响了人们的工作、学习和生活质量，长期失眠还会引起人体免疫机能下降和代谢功能紊乱，从而引发一系列疾病[2-3]。

长期的医学实践和科学研究已经证实，针灸对失眠具有显著成效[4]。但传统针灸多依赖于主治医师的手法和经验，存在不易量化等问题，使得针灸技术的应用和发展受到很大的限制[5]。磁刺激技术是二十世纪八十年代后兴起的一项无创的检测和治疗技术[6]。磁刺激作为一种非侵入式的刺激技术，它的作用原理与电刺激相似，同时在脑神经和深部神经刺激中具有更突出的优势[7-8]。本课题组自2008年始，开展了磁刺激穴位作用效应等领域的相关研究，取得了很好的研究成果[9-12]。

近几年，脑网络研究已经成为神经信息科学的热门领域。随着脑影像技术的飞速发展，脑信号（Electroencephalograme，EEG）采集更为精确，这也进一步推动了对大脑的探索及研究。与此同时，诸多学者开展了穴位刺激相关的脑网络研究。李诺等[13]在2011年研究了针刺足三里穴位的脑功能网络，发现刺激足三里有提高脑部远端区域间信息交流的效果。王海洋等[14]在2012年同样对针刺足三里穴位进行处理与网络分析，发现针刺可以增强某些脑区的关联强度，使信息传递更为有效和活跃。同年，方继良等[15]开展了对针刺足三里和关元穴的脑功能网络研究，发现针刺足三里产生的网络连接强于针刺关元穴。尹宁等[16]于2013年在国内首次进行了磁刺激内关穴的研究，发现磁刺激内关穴时所构建的脑功能网络的“小世界”属性增强，大脑各脑区间信息传递有效提高。付灵弟[17]构建了磁刺激不同穴位脑功能网络，发现磁刺激不同穴位时，脑网络局部属性网络指标在相同以及不同脑功能区上变化差异较大。

本文将亚健康失眠作为研究方向，采用磁刺激方法对具有安神助眠功效的穴位进行刺激，提取被试刺激前后的脑电信号，通过构建并分析不同状态下的脑功能网络，探讨磁刺激穴位对亚健康失眠的作用效应。

1 材料与方法

1.1 数据来源及预处理

依据匹兹堡睡眠指数量表，9名在校大学生（6男，3女）作为被试自愿参加了本次实验，年龄在23～26岁之间，均为右利手，无任何精神病史。匹兹堡睡眠指数量表得分显示各被试均处于亚健康失眠状态。实验开始前，所有被试者均被告知实验注意事项，并签署了知情同意书。采集脑电期间，被试保持闭眼静息状态。通过咨询天津市北辰中医医院专家，实验选取了神门、内关和三阴交作为刺激的配穴。磁刺激设备为英国Magstim公司的Rapid2重复脉冲磁刺激仪，8字形线圈，刺激强度为设备最大输出强度（2.2 T）的80%，刺激频率为1 Hz。实验时，磁刺激线圈中心位置处于穴位上方1 cm处，调整线圈方向保证磁场方向与穴位所处位置垂直。实验流程图，见图1。

图1 实验流程图

脑电采集设备采用美国Neuroscan公司的ESI-128 EEG/ERP系统，每次采集64导，电极排列依据国际10～20电极放置法。信号经SynAmps第二代放大器放大500倍后，进行离线式数据处理，过程包括：① 预览采集的EEG信号；② 剔除发生明显漂移的EEG数据；③ 去除眼电伪迹；④进行0.5～40 Hz 有限长单位冲激响应滤波器带通滤波预处理。经过预处理之后，分别截取被试刺激前、后的EEG数据15000点，用于构建复杂脑功能网络。

1.2 互相关系数算法

脑电的相关特性分析（多通道脑电）是反映任意两个脑电时间序列之间的密切程度，所得到的相关系数可以用来揭示两通道脑电信号之间相关程度的强弱[18]。其中互相关系数算法是最常用算法之一。

离散随机变量x和y表示任意两个通道的脑电时间序列，相关系数Rxy衡量两个脑电序列之间的相关程度。因此在时域上x和y的互相关系数可以表示为：

其中，i，j分别代表两个通道的采样点，n表示数据点的总个数，k表示x和y采样点之间的延迟时间。若x和y同步采集的，那么Rxy可以进一步简化为：

由上述公式计算得到的互相关系数Rxy表示任意两通道脑电信号x和y之间在时域上的相互关联程度（其取值在0和1之间）。Rxy越接近1，表示相关程度越高，越接近0，表示相关程度越低。

1.3 复杂脑功能网络的构建

复杂脑功能网络构建需要进行3部分工作：节点的选取、阈值的选取和网络的连接边。

（1）节点选取。本文参照脑电信号采集过程中大脑头皮表面的电极分布情况（图2），节点直接选取每个电极所测量的大脑区域。

图2 电极分布示意图

（2）阈值选取。得到关联矩阵后，需要选取合适是阈值来构建二值矩阵。阈值选取非常关键，若选取不当，很可能将原本存在的差异性抹杀掉。本文是将各个被试的正相关矩阵进行加和平均后，再进行二值化，阈值选取磁刺激前（静息态）的平均相关矩阵为基准，使网络尽可能稀疏又要避免全连接的现象出现。当节点间关系强度大于所选阈值时，二值矩阵相应位置设置为1，否则设置为0。

（3）边的连接。当二值矩阵数值为1时，在所对应节点之间建立连接边；数值为0时，不建立连接边。根据上述原则，分别构建刺激前（静息态）和磁刺激后的脑功能网络。

1.4 脑网络特征参数

复杂网络特征参数有度、聚类系数、平均路径长度、全局效率等。本文采用上述参数对所建立的脑功能网络进行分析，通过对比亚健康失眠被试静息态和磁刺激穴位后的脑功能网络拓扑结构及特征参数的差异性，研究了磁刺激穴位对大脑功能网络的影响。

（1）平均度D。度是复杂网络节点的属性中最简单但也是最重要的性质[18]。度被定义为一个通道节点与它相连的节点是数目，是反映局部属性的一个重要指标，用k表示。往往度越大，其节点在网络中的地位越重要。计算方法为：

式中，A表示关联系数值。

平均度是衡量整个网络规模大小的一项重要指标，用D表示。其计算方法比较简单，是所有节点度的均值。

其中N表示网络中的节点数，ki表示网络中第i个节点的度。

（2）聚类系数C。聚类系数反映的是所给状态两个节点互为邻居的可能性，衡量的是脑功能网络的全局属性和网络内部聚集程度，即局部脑功能网络内的神经元之间连接紧密程度[18]。Ci表示局部聚类系数，整个脑网络的聚类系数C可由所有通道节点局部聚类系数Ci取平均得到。其表达式为：

式中，ki表示与节点i相连的节点个数，Ei表示与i的邻居节点间存在的实际连接边数，ki(ki-1)/2表示与节点i相连的ki个节点之间最多可能存在的边数。

（3）平均路径长度L。平均路径长度表示网络中任意两个节点之间的最短路径长度的平均值，它是衡量脑功能网络全局属性和反映网络内部信息传输的关键参数[18]，用L表示。

式中，dij表示节点i和节点j之间的距离，N表示节点总数。

（4）全局效率E。全局效率可以用来衡量信息在复杂脑功能网络中传递快慢的一个综合指标[18]。全局效率具体可以表示为：

式中，N表示网络中的节点个数，dij为节点i和节点j之间的距离。

全局效率除了可以衡量信息在网络中传递的快慢，还具备一个优势即在有不连通节点的网络中（即存在孤立点）更为适用。当脑功能网络中存在孤立点时，最短路径长度可能会出现无穷大，这就需要去除孤立点，而全局效率则可以允许有孤立点的存在，不连通节点间的距离取倒数后为 0，因此全局效率可以用来更加全面地描述脑功能网络的特征[19]。

（5）复杂脑网络的“小世界”属性。“小世界”表现为局部连接紧密成簇，且任意两点间具有较短的路径长度，即具有较短的平均路径和较高的聚类系数，是介于规则网络和随机网络之间的一种网络模型[20]。如果所研究的网络相对于相同规模（具有相同节点数和网络平均度）的随机网络而言具有较大的聚类系数和近似的最短路径长度，即满足：

则证明该网络属于“小世界”网络范畴。其中，Creal和Lreal分别代表所构建的真实网络的平均聚类系数和平均路径长度，Creal和Lreal分别代表随机网络的平均聚类系数和平均路径长度。

两个度量指标可以统一成一个“小世界”属性综合指标σ=γ/λ。当σ＞1时，网络具有“小世界”属性，且σ越大说明该网络的“小世界”属性越强。小世界特性反映了网络能够满足局部和整体信息处理的需要，即有较高的并行信息处理的局部和整体效率。

2 结果与分析

失眠被试刺激前和为期3天磁刺激穴位实验后的脑电数据经过脑电预处理之后，计算相关系数，对9人刺激前后的相关系数进行平均，得到刺激前后的平均相关系数。分别对每个电极刺激前、后的脑电信号相关系数进行配对t检验，结果发现：磁刺激后，亚健康失眠被试的额叶、枕叶以及左颞叶和左顶叶区相关系数显著升高（P＜0.05），右颞叶和右顶叶区相关系数显著降低（P＜0.05）。部分电极处的相关系数比较，见图3。

图3 刺激前、后互相关系数对比

阈值选取是构建脑功能网络极其关键的一步，阈值选取不合适，差异性就无法很好的体现。本文在阈值选取时，以刺激前相关系数矩阵为基础，保证刺激前脑功能网络尽可能稀疏同时避免全连接现象的出现，最终选取0.77作为二值化的阈值，构建了刺激前、后的脑功能网络，结果见图4。

图4 阈值0.77时刺激前（a）和刺激后脑（b）网络图

通过对比刺激前后的脑网络图可以看出，磁刺激穴位后，额叶区、枕叶区以及左颞叶区连接有明显增加，右颞叶区、右顶叶区有减弱的趋势。

对所构建的磁刺激穴位前、后的脑功能网络进行参数分析。其中参数包括各个节点的度Di、平均度D、聚类系数C、路径长度L和全局效率E。

对脑网络刺激前、后的各个节点度进行分析，绘制脑电地形图，见图5。观察可以看出磁刺激穴位后，额叶区和枕叶区连接明显增强。

对刺激前、后的各个节点度进行比较，绘制折线图，见图6～7，可以看出磁刺激穴位对亚健康失眠患者的脑网络参数节点度的影响，其中大脑额叶区，枕叶区增强趋势较为明显，左脑颞叶区有加强趋势，右脑颞叶区呈现减弱趋势。

通过计算复杂脑功能网络的平均度D、聚类系数C、平均路径长度L和全局效率E，见表1。磁刺激穴位后与静息态相比均有变化，其中平均度、聚类系数和全局效率呈增长趋势，平均路径长度减小，这一系列的变化使得复杂脑网络区域间内部连通性变强，对信息交流效果产生一定的改善作用。

图5 刺激前（a）和刺激后（b）节点度地形图

图6 磁刺激前、后节点度加强点

图7 磁刺激前、后节点度减弱点

表1 网络参数

结合几个特征参数之间的联系，计算“小世界”网络，磁刺激穴位前、后的综合参数σ均大于1，可以说明所构建的磁刺激穴位脑功能网络前、后均具有“小世界”属性，而磁刺激穴位后，“小世界”属性有所增强，网络中信息传递更加有效。

3 讨论

论文首先对亚健康失眠患者磁刺激穴位前后的正相关系数进行比较分析，发现亚健康失眠患者在接受为期三日的磁刺激穴位后，大脑额叶区、枕叶区具有显著性提高，同时左脑颞叶区、顶叶区也有显著性提高，与之相反的是右脑顶叶区和颞叶区具有显著性降低。关联特性的强弱变化影响脑网络信息传递的速率。

对磁刺激前后的脑功能网络及其网络参数进行研究与分析，发现磁刺激后，平均度、聚类系数和全局效率增大，而平均路径长度减小，平均路径长度和全局效率都是衡量信息在脑功能网络中的传递快递的指标，主要用来刻画大脑在特定状态下能量及物质消耗的是否“经济”，因此可以看出磁刺激穴位后，亚健康失眠患者的大脑区域的内部连通性和信息交流效果具有一定的改善作用。

通过计算亚健康失眠患者在磁刺激穴位前后的“小世界”属性，发现无论是在刺激前状态还是刺激后状态，构建的脑网络都具有“小世界”属性，该结果说明磁刺激穴位不会改变脑功能网络的基本属性，这与之前尹宁等[19]磁刺激穴位对脑功能的影响结论一致。而且研究进一步发现，磁刺激穴位后，“小世界”属性有所增强。小世界特性，反映了大脑网络能够同时满足局部和整体信息处理的需要，脑区内紧密连接，脑区间相对稀疏，这有利于增强局部特化的信息处理和整个网络的信息整合[20]。

由于被试数据量较少，后期需要加大被试数量，严格控制实验条件，使研究更加准确。同时，增设对照组，对比健康被试大脑功能网络，进一步探索磁刺激穴位对亚健康失眠患者的作用效应。

4 结论

本文基于EEG，采取复杂脑网络分析方法，把亚健康失眠作为切入点，来研究磁刺激穴位对大脑功能网络产生的影响。利用互相关方法，对多通道脑电信号进行了关联特性分析，并在此基础上构建了静息态和磁刺激穴位的亚健康失眠患者的大脑功能网络。利用复杂脑功能网络的特征参数对磁刺激穴位前、后的脑功能网络进行深入研究与分析，探索磁刺激穴位对亚健康失眠患者的效果。结果发现，磁刺激穴位后与刺激前相比，亚健康失眠患者的复杂脑功能网络的平均度、聚类系数和全局效率均有提高，平均路径长度有所降低，同时“小世界”属性增强，信息在大脑区域间的传递更加有效。

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