磁刺激內(nèi)關(guān)穴的腦電源定位分析

李文文 徐桂芝 陳小剛 楊 碩 于洪麗

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

引言

針灸是中醫(yī)療法之一，目前針灸應(yīng)用于各種臨床疾病的治療已有數(shù)千年的歷史。針灸的理論基礎(chǔ)是經(jīng)絡(luò)學(xué)說，針灸治療的基本手段就是刺激人體經(jīng)絡(luò)穴位。臨床上常用的兩種針刺穴位的手法是:手捻針刺穴位療法和電針刺激穴位療法。目前，國內(nèi)外關(guān)于針刺穴位的研究報(bào)道很多，而有關(guān)磁刺激與傳統(tǒng)中醫(yī)穴位功效相結(jié)合方面的研究的資料報(bào)道很少。

皮膚、骨骼和脂肪傳導(dǎo)性低，電刺激很難刺激到深部的組織和神經(jīng)，且大的表面電流會使患者產(chǎn)生疼痛感甚至無法忍受。在磁刺激中，由于各生物組織或器官的磁導(dǎo)率是基本相同的，磁場容易透過皮膚和骨骼而達(dá)到深層組織，因而磁刺激技術(shù)可無創(chuàng)地應(yīng)用于神經(jīng)刺激以及深部神經(jīng)組織中。磁刺激線圈不與受測試者身體有任何接觸，不需要對皮膚進(jìn)行任何預(yù)處理就可以直接刺激受損傷部位和暴露部位，不會引起疼痛，機(jī)體與外界無電聯(lián)系，因而安全性好。因此，磁刺激較傳統(tǒng)的電刺激有很多優(yōu)點(diǎn)，這也正是磁刺激成為神經(jīng)科學(xué)特別是腦神經(jīng)研究熱點(diǎn)的原因［1－4］。

內(nèi)關(guān)穴為手厥陰心包經(jīng)的絡(luò)穴，又是八脈交會穴之一，此穴具有益氣養(yǎng)心安神、疏通心脈鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜寧神定志、疏肝開郁除煩、理氣寬胸散結(jié)和胃降逆化濁、醒神開竅解痙、疏通氣血止痛的功能，尤以養(yǎng)心安神、理氣止痛為主［5］。內(nèi)關(guān)穴臨床應(yīng)用廣泛，療效良好，有較高的臨床應(yīng)用價(jià)值，有很好的應(yīng)用前景，目前國內(nèi)外對于針刺內(nèi)關(guān)穴的研究有很多報(bào)道［6］。胡建平等用手針和電針刺激右側(cè)內(nèi)關(guān)的 fMRI圖像顯示［7］，主要的激活大腦皮層功能區(qū)都是以雙側(cè)顳葉及額葉為主，刺激手法的不同激活的程度有所不同，針刺穴位對側(cè)的大腦皮質(zhì)功能區(qū)激活程度和范圍均較同側(cè)強(qiáng)且大。付平等電針刺激內(nèi)關(guān)穴的fMRI顯示［8］，正常被試的兩側(cè)額葉及顳葉均被不同程度激活。另外南方醫(yī)科大學(xué)的黃泳也得出同樣類似的結(jié)論［9］。本研究旨在通過磁刺激儀對內(nèi)關(guān)穴進(jìn)行刺激，并用疊加平均方法提取出誘發(fā)電位，對誘發(fā)電位進(jìn)行源定位分析，驗(yàn)證磁刺激穴位的有效性，研究磁刺激穴位與針刺穴位激活大腦區(qū)域的異同。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)對象為13名健康的全日制碩士研究生，8男5女，年齡23～25歲，平均年齡24.6歲，皆為右利手，所有受試者無精神病及精神病史，在實(shí)驗(yàn)近期內(nèi)無服用鎮(zhèn)靜藥史，女性受試者避開月經(jīng)期。所有受試者在實(shí)驗(yàn)前被告知要進(jìn)行磁刺激右側(cè)內(nèi)關(guān)穴的腦電信號采集，并簽署知情同意書。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程要求被試處于安靜閉眼狀態(tài)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器介紹與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

本實(shí)驗(yàn)采用英國Magstim公司生產(chǎn)的重復(fù)脈沖磁刺激器Rapid2設(shè)計(jì)磁刺激試驗(yàn)，刺激線圈選用直徑70 mm的8字形線圈(磁場強(qiáng)度可達(dá)到2.2 T)，對右側(cè)內(nèi)關(guān)穴及內(nèi)關(guān)穴附近非穴位點(diǎn)(假穴)進(jìn)行刺激強(qiáng)度為 80%(即 2.2 T×80%)、刺激頻率為0.5 Hz的重復(fù)脈沖磁刺激，每種刺激模式均刺激60次。腦電采集采用的是美國NeuroScan公司生產(chǎn)的腦電分析儀，同步記錄在磁刺激狀態(tài)下的腦電數(shù)據(jù)，并記錄60 s被試安靜狀態(tài)下的腦電數(shù)據(jù)以作為對比數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)電極位置按照國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)10/20系統(tǒng)放置，分別記錄了64導(dǎo)聯(lián)腦電信號，采樣頻率為1 000 Hz，50 Hz陷波去除工頻干擾，SynAmps放大器的放大倍數(shù)為500倍。參考電極為雙側(cè)乳突M1和M2，接地電極為GND電極，并滿足皮膚阻抗<5 kΩ。

1.3 腦電信號處理方法

事件相關(guān)譜擾動(event-relatedspectral perturbation，ERSP)是由下式定義［10］

對于n次試驗(yàn)，F(xiàn)k(f，t)是第k次試驗(yàn)在頻率f和時(shí)間t處的時(shí)頻分布，ERSP反映了刺激事件對功率譜的擾動。式(2)定義的是序間相干性(inter-trial coherence，ITC)［10］

|·|表示復(fù)數(shù)的模。ITC能夠度量多次實(shí)驗(yàn)之間EEG頻譜相位的一致性，ITC的取值在0～1，當(dāng)值接近1時(shí)，表示各次實(shí)驗(yàn)之間的相位有著很好的一致性，當(dāng)值為0時(shí)，表示刺激事件與腦電信號之間不存在相位同步關(guān)系。磁刺激脈沖間隔時(shí)間為2 s，刺激前1 s，刺激后1 s，為了避免數(shù)據(jù)點(diǎn)的重疊，并且選擇盡可能多的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析，使用Matlab7.0和EEGlab8.0分析了所有磁刺激脈沖刺激時(shí)刻前后512 ms(即512個(gè)點(diǎn))，來計(jì)算所有刺激時(shí)刻前后的平均ERSP和ITC值，用以研究能量鎖定和相位同步問題。

目前處理微弱生理電信號仍多采用疊加平均方法(或稱相干平均法)［11］，多用于處理誘發(fā)電位。使用該方法的前提條件是:①誘發(fā)電位與噪聲是相互獨(dú)立的;②每次刺激后所獲得的誘發(fā)電位波形是一致的;③噪聲與刺激無關(guān)，且為隨機(jī)信號。利用疊加平均技術(shù)的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)是誘發(fā)電位與刺激信號具有嚴(yán)格的鎖時(shí)關(guān)系，即認(rèn)為每次誘發(fā)電位與刺激信號是同步出現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)獲取的磁刺激腦電信號屬于微弱的生理電信號，并且滿足疊加平均方法的前提條件和基本出發(fā)點(diǎn)。在對采集到的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波、去除眼電肌電偽跡等一系列預(yù)處理，并且進(jìn)行了ERSP和ITC分析后，然后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加平均提取誘發(fā)電位。

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)獲得了13組磁刺激右側(cè)內(nèi)關(guān)穴的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)首先經(jīng)過濾波等預(yù)處理后，然后采用 Matlab7.0和EEGlab8.0對磁刺激內(nèi)關(guān)穴位的13組腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行ERSP和ITC的分析處理，研究發(fā)現(xiàn):13名被試的額區(qū)和頂區(qū)的電極都能記錄到明顯的誘發(fā)電位，其中以FCZ電極的ERP幅值最大。

以被試6為例進(jìn)行說明，圖1所示為磁刺激右側(cè)內(nèi)關(guān)穴時(shí)所得到的FCZ電極的ERP示意圖，其中t=0時(shí)刻是刺激時(shí)刻，t=80 ms和t=150 ms在刺激時(shí)刻右方分別用黑線標(biāo)記出來。

圖1 被試6的FCZ電極的ERP示意。(a)相位序列;(b)疊加平均前的ERP波形;(c)ERSP;(d)ITCFig.1 The ERP image recorded by electrode FCZ of Subject 6.(a)phase-sorted trails;(b)the ERP waveform before superposed averaging;(c)ERSP;(d)ITC

圖1中(a)和(b)分別為磁刺激內(nèi)關(guān)穴時(shí)得到的FCZ電極記錄到的相位序列圖和疊加平均前的ERP波形圖;ERSP相對于基線是有所提高和降低的，就說明能量對于時(shí)間鎖定得很好，反之，說明能量對于時(shí)間沒有鎖時(shí)關(guān)系，圖1(c)的ERSP圖中刺激時(shí)刻前后的ERSP相對于基線是刺激前低，刺激后高，說明能量對于時(shí)間鎖定得很好;ITC度量了多次實(shí)驗(yàn)之間EEG頻譜相位的一致性，一般來說，ITC越接近于1，說明不同的實(shí)驗(yàn)，大腦對刺激的反應(yīng)的波形走勢越一致，相位就鎖定得越好，那么可以通過平均獲得很好的時(shí)域內(nèi)的 ERP波，相反，越接近于0，則很難獲得 ERP，圖1(d)中所示 ITC從刺激時(shí)刻開始到刺激后200 ms左右比較接近1，說明大腦對刺激的反應(yīng)波形走勢是具有一致性的，相位鎖定比較好，通過疊加平均可以得到時(shí)域內(nèi)很好的ERP波，即體感誘發(fā)電位(somatosensory-evoked potentials，SEPs)。

實(shí)驗(yàn)獲得的13組數(shù)據(jù)都是采用相同的分析方法進(jìn)行處理的，分析結(jié)果顯示13組被試的磁刺激內(nèi)關(guān)穴的數(shù)據(jù)都能夠在大腦的額區(qū)、頂區(qū)和顳區(qū)提取到明顯的體感誘發(fā)電位(SEPs)，這與之前學(xué)者們針刺內(nèi)關(guān)穴主要激活大腦的雙側(cè)額葉和顳葉，頂葉也有相對的激活的研究結(jié)果［7-9］是一致的。其中以電極 F1、FZ、F2、FC1、FCZ、FC2 記錄到的誘發(fā)電位的幅值較大，F(xiàn)CZ電極記錄到的幅值最大。

下面以被試6的結(jié)果為例進(jìn)行說明，圖2所示為被試6的FCZ電極在安靜狀態(tài)、假穴刺激狀態(tài)和穴位刺激狀態(tài)三種不同模式下的波形對照圖，t=0時(shí)刻是磁刺激時(shí)刻。與安靜狀態(tài)和假穴刺激狀態(tài)相比，內(nèi)關(guān)穴穴位刺激狀態(tài)在刺激后75～85 ms提取到一個(gè)負(fù)的誘發(fā)電位(N80)，在刺激后140～160 ms提取到一個(gè)正的誘發(fā)電位(P150)，而假穴刺激狀態(tài)沒有此誘發(fā)電位出現(xiàn)。表1所示為電極FCZ記錄到的磁刺激狀態(tài)下的13名被試的晚成分N80和P150的潛伏期和幅值對照表。

圖2 被試6的N80和P150晚成分示意Fig.2 The late component N80 and P150 of Subject 6

表1 FCZ電極記錄到的體感誘發(fā)電位(N80和P150)的潛伏期及幅值對照表Tab.1 The latency and amplitude of SEPs(N80and P150)at electrode FCZ

CURRY是功能非常強(qiáng)大的電磁溯源分析定位和可視化工具，該軟件在世界上處于最領(lǐng)先地位，推動了神經(jīng)(腦)影像的飛速發(fā)展。本研究使用CURRY5.0軟件，來定位穴位刺激所特有的體感誘發(fā)電位N80和P150的解剖學(xué)上相應(yīng)的大腦功能區(qū)。頭模型與真實(shí)頭的吻合度可以用來衡量說明定位的精確度，有文獻(xiàn)指出吻合度大于90%的頭模型就是好的模型［12－13］。CURRY5.0完全可以達(dá)到這個(gè)要求，能夠保證定位的精確性。

對誘發(fā)電位的N80成分進(jìn)行源定位分析，其位置位于大腦的額上回，如圖3中偶極子分別在大腦冠狀面、矢狀面、水平面和三維視圖的位置所示。額葉具有高級認(rèn)知功能，比如語言、決策、學(xué)習(xí)、抽象思維、情感等，還負(fù)責(zé)自主運(yùn)動的控制。夏勇在1989年就研究發(fā)現(xiàn)用激光及針刺左側(cè)內(nèi)關(guān)穴［14］，會引起正中神經(jīng)體感誘發(fā)電位N80的升高，N80的增高與鎮(zhèn)痛效應(yīng)相關(guān)。既往的研究報(bào)道稱該波在睡眠和針刺鎮(zhèn)痛中增高。睡眠態(tài)人體對外界刺激的感受性下降，針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)的產(chǎn)生是對痛的意識性感受的抑制作用，顯然，這兩種情況在心理效應(yīng)上是一致的。

圖3 N80的等效偶極子源定位結(jié)果示意。(a)冠狀位;(b)矢狀位;(c)水平位;(d)三維視圖Fig.3 Schematic projection of the location of single equivalent dipole of N80.(a)coronal position;(b)sagittal position;(c)horizontal position;(d)threedimensional view

對誘發(fā)電位的P150成分進(jìn)行源定位分析，其位置位于扣帶回前部，如圖4中偶極子分別在大腦冠狀面、矢狀面、水平面和三維視圖的位置所示?？蹘Щ匚挥诖竽X半球內(nèi)側(cè)面胼胝體上方，是大腦的邊緣系統(tǒng)的一部分。其功能牽涉情感、學(xué)習(xí)和記憶。還有文獻(xiàn)［12］指出，扣帶回有痛覺感知、痛覺識別以及抑制疼痛的作用。前扣帶回功能復(fù)雜，其不同分區(qū)執(zhí)行不同功能，與自我監(jiān)控、情緒調(diào)節(jié)和控制等功能有關(guān)，前扣帶回背側(cè)與認(rèn)知任務(wù)依賴的網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，而前扣帶回腹側(cè)為默認(rèn)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要腦區(qū)，與情緒、心境、自我控制等有關(guān)。

圖4 P150的等效偶極子源定位結(jié)果示意。(a)冠狀位;(b)矢狀位;(c)水平位;(d)三維視圖Fig.4 Schematic projection of the location of single equivalent dipole of P150.(a)coronal position;(b)sagittal position;(c)horizontal position;(d)threedimensional view

3 討論與結(jié)論

有學(xué)者研究表明，針刺同一穴位會引起大腦不同功能區(qū)的激活。扣帶回、額上回與認(rèn)知功能關(guān)系密切。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，任何腦區(qū)的功能都不是單獨(dú)存在的，任一功能都是由功能密切的腦區(qū)相互連接、協(xié)調(diào)的結(jié)果。研究磁刺激內(nèi)關(guān)穴的結(jié)果表明，0.5 Hz磁刺激內(nèi)關(guān)穴時(shí)會激活大腦的額上回、前扣帶回區(qū)域，即磁刺激內(nèi)關(guān)穴誘發(fā)腦電源定位在上述兩個(gè)腦區(qū)，內(nèi)關(guān)穴的功能是這兩個(gè)腦區(qū)相互作用的結(jié)果。神經(jīng)生理學(xué)研究表明，穴位附近分布著豐富的神經(jīng)末梢和肌腱組織，同磁刺激假穴相比，本研究磁刺激13名被試的右側(cè)內(nèi)關(guān)穴位都會在大腦的特定區(qū)域產(chǎn)生誘發(fā)腦電信號(N80和P150成分)，而磁刺激假穴則不會引起該誘發(fā)腦電信號，這表明N80和P150成分可能反映了體表磁刺激通過內(nèi)關(guān)穴對大腦電活動的調(diào)控作用。

本研究利用磁刺激技術(shù)對正常人內(nèi)關(guān)穴進(jìn)行刺激，同步采集其腦電信號，提取誘發(fā)腦電，并進(jìn)行等效偶極子源定位分析。定位結(jié)果顯示，內(nèi)關(guān)穴位刺激所特有的誘發(fā)電位N80和P150分別定位在大腦的額上回和前扣帶回。這與之前學(xué)者們用fMRI研究針刺內(nèi)關(guān)穴主要激活大腦的雙側(cè)額葉和顳葉，頂葉也有相對激活的研究結(jié)果是一致的。但是由于刺激手段的不同，還存在著差異。所以磁刺激穴位是否能夠取得與針刺穴位同樣的效果，還需要在今后的研究中從多個(gè)角度去驗(yàn)證。

選取與心神功能相關(guān)的內(nèi)關(guān)穴作為研究對象，將磁刺激與傳統(tǒng)中醫(yī)穴位相結(jié)合。腦作為人體的最高級中樞，參與了磁刺激效應(yīng)的產(chǎn)生，通過磁刺激內(nèi)關(guān)穴的腦電信號的分析處理，對大腦神經(jīng)興奮狀態(tài)做出判斷，這不僅研究了磁刺激內(nèi)關(guān)穴位治療方式的可行性，也是腦功能成像方式新的應(yīng)用探索。本研究初步表明磁刺激內(nèi)關(guān)穴與大腦的額區(qū)和扣帶回具有映射關(guān)系，研究的觀察樣本有限，有待進(jìn)一步深入研究。

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