磁刺激光明穴的腦電響應(yīng)的腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析

邢陽陽 耿躍華* 張 欣 于洪麗 徐桂芝

1(河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)2(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

磁刺激光明穴的腦電響應(yīng)的腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析

邢陽陽1耿躍華1*張 欣2于洪麗1徐桂芝1

1(河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)2(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

經(jīng)顱磁刺激技術(shù)與中醫(yī)穴位刺激相結(jié)合的研究和應(yīng)用，近年來已經(jīng)取得一定進(jìn)展，圖論理論在腦科學(xué)研究領(lǐng)域中也進(jìn)行一些探索，這些理論和技術(shù)的交叉與結(jié)合將為神經(jīng)磁刺激技術(shù)的應(yīng)用和腦科學(xué)的研究開啟新的方向。利用互相關(guān)方法對(duì)磁刺激光明穴和假穴的腦電信號(hào)進(jìn)行了兩兩通道間的線性時(shí)域關(guān)聯(lián)特性分析，得出各通道間腦電數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)量關(guān)系，并且以相關(guān)矩陣的形式表示，通過閾值大小的設(shè)定獲取鄰接矩陣，分別構(gòu)建磁刺激光明穴與磁刺激假穴實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下腦電信號(hào)的腦功能網(wǎng)絡(luò)圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁刺激光明穴的腦功能連接相比于磁刺激假穴的腦功能連接在枕葉(視覺聯(lián)絡(luò)區(qū))、額葉區(qū)顯著增多。利用基于圖論的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)所構(gòu)建的腦功能網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)進(jìn)行參數(shù)比較和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。磁刺激光明穴使得腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，主要包括網(wǎng)絡(luò)平均度增大、聚類系數(shù)增大、特征路徑長度減小、全局效率和局部效率提高、小世界屬性增強(qiáng)，并且這些差異經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)在均值差值上都有量化體現(xiàn)，通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁刺激光明穴引起的腦功能網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的改變具有顯著性差異(P<0.05)。研究提示，磁刺激光明穴相比磁刺激假穴，可以提高腦功能網(wǎng)絡(luò)的全局效率和局部效率，縮短信息傳播路徑，使各個(gè)腦區(qū)之間的信息傳遞更加高效，為磁刺激技術(shù)施加于穴位改善神經(jīng)功能提供一定的理論依據(jù)。

磁刺激；穴位；腦電信號(hào)；腦功能網(wǎng)絡(luò)；互相關(guān)

引言

經(jīng)顱磁刺激技術(shù)(transcranial magnetic stimulation，TMS)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種無創(chuàng)的在大腦外部對(duì)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行刺激的電生理技術(shù),它是一種可以影響和改變大腦功能的生物刺激技術(shù),它是利用時(shí)變磁場(chǎng)作用于大腦皮層產(chǎn)生感應(yīng)電流，改變皮層神經(jīng)細(xì)胞的動(dòng)作電位，從而影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動(dòng)的生物刺激技術(shù),但這種技術(shù)不對(duì)神經(jīng)組織造成損傷，即具有安全的神經(jīng)調(diào)節(jié)能力[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，TMS并不只局限于大腦的刺激，外周神經(jīng)肌肉同樣可以作為刺激對(duì)象，因此該技術(shù)也可以稱為“磁刺激技術(shù)”。

磁刺激也可以在人體穴位神經(jīng)處產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使神經(jīng)和組織產(chǎn)生興奮性[2]。相比針刺技術(shù)，磁刺激技術(shù)彌補(bǔ)了針刺技術(shù)給患者和被試造成疼痛感的不足，具有無痛、無創(chuàng)、操作簡單、方便等特點(diǎn)；相比電刺激技術(shù)，磁刺激技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)顱內(nèi)的深部刺激，并且無創(chuàng)傷，人體不適感微乎其微。 磁刺激技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了針刺技術(shù)和電刺激技術(shù)的不足和缺陷，它作為一種具有巨大潛力的神經(jīng)刺激技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。磁刺激穴位可以等效為大腦神經(jīng)系統(tǒng)的一種外部刺激，對(duì)研究大腦之間的交互作用具有重要意義。

基于腦電信號(hào)(electroencephalogram，EEG)的腦功能網(wǎng)絡(luò)分析可以通過分析記錄在不同腦區(qū)且空間上分離的信號(hào)，研究它們時(shí)間上的相關(guān)性和因果關(guān)系，從而了解大腦不同腦區(qū)之間的交互工作模式。2007年，Stam在對(duì)阿茲海默癥患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)研究中發(fā)現(xiàn)，阿茲海默癥患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)特征路徑長度明顯高于正常人，并且與患病的嚴(yán)重程度有關(guān)[3]。這一結(jié)果也表明，阿茲海默癥患者的腦區(qū)之間的信息傳遞效率降低。Micheloyannis等分別探索了不同的教育程度和年齡是否對(duì)大腦的功能網(wǎng)絡(luò)屬性有所影響，在對(duì)不同教育程度的研究中采用正常被試的腦電數(shù)據(jù)構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為 28 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大腦功能網(wǎng)絡(luò)[4-5]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，教育程度的高低與腦功能網(wǎng)絡(luò)的“小世界”屬性相關(guān)，并且教育程度越低，小世界屬性的表現(xiàn)越強(qiáng)。之后在分析年齡對(duì)大腦功能網(wǎng)絡(luò)屬性的影響時(shí)，分別建立了兒童和成年人的腦網(wǎng)絡(luò)，同樣選擇了 28 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)構(gòu)建好的腦功能網(wǎng)絡(luò)的分析研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，大腦功能網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性會(huì)有所下降。Ponten等利用同步似然性構(gòu)建了癲癇患者腦電信號(hào)在癲癇發(fā)作不同階段的腦功能網(wǎng)絡(luò)，并通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)屬性的分析發(fā)現(xiàn)癲癇在發(fā)病中和發(fā)病后，腦功能網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度會(huì)增大[6]。Dimitriadis等也對(duì)正常被試睡眠階段的腦電信號(hào)進(jìn)行了腦功能網(wǎng)絡(luò)的研究，發(fā)現(xiàn)在睡眠的不同階段，大腦功能網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在顯著性差異[7]。眾多研究者對(duì)針刺穴位對(duì)大腦相關(guān)腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響進(jìn)行了研究，探索中醫(yī)針灸的機(jī)理[8-9]。李諾和Luo等基于腦電圖，構(gòu)建了針刺足三里穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)，研究發(fā)現(xiàn)針刺足三里穴對(duì)加快相關(guān)腦區(qū)之間的信息交流具有調(diào)節(jié)作用[10]。張欣等對(duì)正常人光明穴進(jìn)行重復(fù)脈沖磁刺激并觀測(cè)腦電信號(hào)，與非穴位點(diǎn)磁刺激的腦電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，并同時(shí)對(duì)比磁刺激光明穴前、中、后視覺刺激產(chǎn)生的腦電信號(hào)樣本熵值的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁刺激光明穴對(duì)人體腦電信號(hào)影響顯著[11]。郭磊等利用基于近似熵對(duì)磁刺激內(nèi)關(guān)穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析發(fā)現(xiàn)，磁刺激內(nèi)關(guān)穴可以改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。[12]

本研究從腦功能網(wǎng)絡(luò)的角度分析磁刺激光明穴對(duì)腦電信號(hào)的影響，期望從網(wǎng)絡(luò)連接及其網(wǎng)絡(luò)屬性的角度發(fā)現(xiàn)磁刺激光明穴對(duì)腦功能影響的區(qū)域定位及區(qū)域關(guān)聯(lián)性指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)

8名在校大學(xué)生自愿參加本次實(shí)驗(yàn)，年齡在20～25歲之間，皆為右利手，無精神病史，無藥物依賴史。實(shí)驗(yàn)前告知被試保持安靜、閉眼狀態(tài)，無定向思維，處于放松狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中保持周圍環(huán)境安靜、舒適。磁刺激實(shí)驗(yàn)采用英國Magstim公司的Rapid2重復(fù)脈沖磁刺激儀。刺激線圈為8字形線圈，8字型線圈聚焦性能好，空間分辨率高，其性能滿足本次實(shí)驗(yàn)需求。刺激強(qiáng)度為1.76 T，刺激頻率為1 Hz，刺激時(shí)間各120 s，刺激模式為重復(fù)刺激模式，各參數(shù)選擇均為在滿足安全性的前提下，在參考以往磁刺激研究和實(shí)驗(yàn)的參數(shù)下設(shè)定本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)區(qū)間[13]，在參數(shù)區(qū)間內(nèi)對(duì)20名健康人進(jìn)行刺激，以不同被試穴位區(qū)域出現(xiàn)類似于針灸的麻脹感為設(shè)定參數(shù)指征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在最大刺激強(qiáng)度80%上下即1.76 T左右，20名被試被刺激穴位在磁刺激120 s后均出現(xiàn)類似于針灸的麻脹感，所以本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為刺激強(qiáng)度為1.76 T，刺激頻率為1 Hz，刺激時(shí)間各120 s。本次實(shí)驗(yàn)采取自對(duì)照的方式進(jìn)行，即每名被試分別采集磁刺激光明穴和磁刺激假穴的腦電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)狀態(tài)如圖1所示，圖中標(biāo)示出了刺激的靶點(diǎn)即光明穴和假穴的位置。

圖1 刺激靶點(diǎn)示意圖Fig1 Schematic diagram of the stimulus target

1.2 方法

1.2.1 EEG數(shù)據(jù)的預(yù)處理

將磁刺激實(shí)驗(yàn)過程中采集的腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理操作，預(yù)處理主要包括：剔除明顯漂移的數(shù)據(jù)、去除眼電偽跡、進(jìn)行0.5～40.0 Hz的帶通濾波等預(yù)處理、分段等，分別截取每個(gè)被試磁刺激光明穴和磁刺激假穴各50 s的腦電數(shù)據(jù)，以備進(jìn)行下一步復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與分析。

1.2.2 腦電信號(hào)關(guān)聯(lián)特性分析

在每組實(shí)驗(yàn)所提取的64導(dǎo)數(shù)據(jù)中，由于每個(gè)被試的每組實(shí)驗(yàn)都有個(gè)別電極存在接觸不良的情況，將所有存在信號(hào)失真的電極全部剔除，最終提取的有效通道數(shù)為57導(dǎo)。針對(duì)統(tǒng)一好的數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)被試者選取50個(gè)周期約50 s(50 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))多通道時(shí)間序列，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式作關(guān)聯(lián)特性分析，求取50次關(guān)聯(lián)矩陣，最后取平均得到最后的關(guān)聯(lián)矩陣A，用以表征各個(gè)通道之間的同步性以及緊密程度，其中皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式為

(1)

1.2.3 腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的邊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)選取的原則是大腦各個(gè)區(qū)域應(yīng)該能夠盡量理想地被代表，并且能夠保持節(jié)點(diǎn)外部的獨(dú)立性與內(nèi)部的一致性[14]。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)外部的獨(dú)立性可以體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)即腦區(qū)之間的固有差異性，內(nèi)部一致性可以保證節(jié)點(diǎn)內(nèi)部含有相同的信息流?；贓EG數(shù)據(jù)的腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可以采取兩種方法定義節(jié)點(diǎn)，一種是利用頭皮表面電極定義節(jié)點(diǎn)(即一個(gè)電極就是一個(gè)節(jié)點(diǎn))，另一種是利用皮層定義節(jié)點(diǎn)。由于EEG本身具有可以反映大腦內(nèi)部神經(jīng)活動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，所以文研究在定義節(jié)點(diǎn)時(shí)，定義位于頭皮表面的57個(gè)電極為節(jié)點(diǎn)。

在基于EEG的腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，選取邊的主要方法是通過度量不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)間序列的相關(guān)性獲取相關(guān)系數(shù)，通過選取合適的閾值來定義節(jié)點(diǎn)之間是否有邊存在。

已有研究證明，人腦是一個(gè)典型的小世界網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)Erd?s-Rényi的隨即圖模型[15]，如果要保證具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的圖是全連接，其連接稀疏度應(yīng)該大于2lnN/N。此外，應(yīng)該保證它的小世界屬性值σ遠(yuǎn)大于 1。因此，本研究在保證最小稀疏度的基礎(chǔ)上根據(jù)小世界屬性值σ選擇閾值，從而可以保證網(wǎng)絡(luò)在具有小世界屬性的同時(shí)，盡可能地去除偽連接[16-17]。本次構(gòu)建的腦功能網(wǎng)絡(luò)共有57個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小稀疏度應(yīng)為2lnN/N≈0.14，設(shè)定小世界屬性值σ=1.1，根據(jù)研究得知最大稀疏度閾值為0.60。所以，本研究選定的閾值范圍為0.14

1.2.4 基于EEG的腦功能網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析

(2)

2)特征路徑長度。描述了網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最短路徑的平均值，定義為

(3)

式中，V是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合。

3)聚類系數(shù)。它是衡量網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)化程度的參數(shù)，是度量網(wǎng)絡(luò)屬性的另一個(gè)重要參數(shù)，表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居間互為鄰居的可能性。某一節(jié)點(diǎn)i的聚類系數(shù)Ci的值等于它的鄰居中存在邊的數(shù)目(ei)與可能的連邊數(shù)目(ki(ki-1)/2)的比值，即

(4)

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)的平均值為網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)，即

(5)

式中，0≤C≤1,該指標(biāo)反映了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的局部集聚程度。

4)網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)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，并且能夠直接應(yīng)用到非聯(lián)通矩陣和非稀疏矩陣。全局效率代表了網(wǎng)絡(luò)整體的信息傳輸能力，局部效率代表了局部的信息傳輸能力或者錯(cuò)誤容忍度。全局效率和局部效率計(jì)算公式為

(6)

式中，N為節(jié)點(diǎn)，lij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的最短路徑長度。

(7)

其中

(8)

式中，Vi表示節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)組成的子圖。

5)小世界屬性σ。Watts和Storgate提出可以將隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型作為基準(zhǔn)來評(píng)測(cè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性[18]，有

(9)

(10)

Humphries等將式(8)、(9)所提到的小世界屬相的指標(biāo)合并為了一個(gè)綜合的衡量指標(biāo)[19]，即

(11)

σ值的大小反映網(wǎng)絡(luò)小世界屬性的強(qiáng)弱，值越大，小世界屬性越強(qiáng)。

2 結(jié)果

2.1 腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

本研究在完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和相關(guān)性分析后，在閾值區(qū)間內(nèi)分別構(gòu)建了腦功能網(wǎng)絡(luò)連接圖。圖2是其中一名被試在稀疏度閾值S=0.33時(shí)的腦功能連接圖?？梢灾庇^地看出，磁刺激光明穴的腦功能連接相比磁刺激假穴的腦功能連接，在枕葉(視覺聯(lián)絡(luò)區(qū))、額葉區(qū)顯著增多。

圖2 磁刺激穴位腦功能連接圖。(a)磁刺激光明穴腦連接圖；(b)磁刺激假穴腦連接圖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 腦功能網(wǎng)絡(luò)參數(shù)比較

圖3 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)曲線。(a)平均度曲線；(b)特征路徑長度曲線；(c)聚類系數(shù)曲線；(d)全局效率曲線；(e)局部效率曲線；(f)小世界屬性σ曲線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

依據(jù)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的計(jì)算和分析方法，本研究構(gòu)建了在閾值區(qū)間內(nèi)一系列的磁刺激光明穴和磁刺激假穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)，并且計(jì)算了每一名被試在不同閾值下的腦功能網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。圖3(a)～(e)分別表示磁刺激光明穴和磁刺激假穴8名被試的腦功能網(wǎng)絡(luò)在閾值區(qū)間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)平均度、特征路徑長度、聚類系數(shù)、全局效率、局部效率的平均值變化曲線。從圖3(a)中可以看出，磁刺激光明穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)平均度在閾值區(qū)間內(nèi)均高于磁刺激假穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)平均度，磁刺激光明穴相比較于磁刺激假穴網(wǎng)絡(luò)平均度增大；從圖3(b)可以看出，磁刺激光明穴的特征路徑長度略微低于磁刺激假穴的特征路徑長度。在有些研究計(jì)算中，為了避免網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的不連通造成最短路徑長度為無窮這一問題，通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)和平均數(shù)，即原始值倒數(shù)的平均的倒數(shù)來獲取最短特征路徑。值得注意的是，這樣獲得的最短特征路徑在數(shù)值上等于全局效率的倒數(shù)[20]。本研究結(jié)果也滿足此規(guī)律，磁刺激光明穴的腦網(wǎng)絡(luò)最短特征路徑低于磁刺激假穴，而磁刺激光明穴的腦網(wǎng)絡(luò)全局效率高于磁刺激假穴。從圖 3(c)可以看出，磁刺激光明穴的腦網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)高于磁刺激假穴的腦網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)；從圖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腦功能網(wǎng)絡(luò)全局效率和局部效率；圖3(f)中可以看出，磁刺激光明穴的小世界屬性σ值曲線高于磁刺激假穴的曲線。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)曲線(見圖3)僅能直觀地反映不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化趨勢(shì)和整體差異，因此本研究對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的各網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行了配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由此可知，磁刺激光明穴相對(duì)于磁刺激假穴網(wǎng)絡(luò)平均度差值為0.55，相應(yīng)的P=0.00；磁刺激光明穴特征路徑長度相對(duì)于磁刺激假穴特征路徑長度為-0.02，相應(yīng)的P=0.01；磁刺激光明穴聚類系數(shù)相對(duì)于磁刺激假穴差值為0.02，相應(yīng)的P=0.00；磁刺激光明穴全局效率相對(duì)于磁刺激假穴差值為0.01，相應(yīng)的P=0.00；磁刺激光明穴全局效率相對(duì)于磁刺激假穴差值為0.01，相對(duì)P=0.00;磁刺激光明穴小世界屬相σ相對(duì)于磁刺激假穴差值為0.07，相應(yīng)的P=0.00。結(jié)合以上分析可知，磁刺激光明穴可以對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)造成影響，使得網(wǎng)絡(luò)平均度增大，特征路徑長度減小，聚類系數(shù)增大，全局效率提高，局部效率提高，小世界屬相增強(qiáng)，并具有顯著性差異。

如圖4所示，隨著度的增大，網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)增大，特征路徑長度減小，全局效率提高。這一結(jié)果提示，網(wǎng)絡(luò)中存在的邊連接越多，越可以促使網(wǎng)絡(luò)中更多的節(jié)點(diǎn)聚集到一起，使節(jié)點(diǎn)之間的路徑長度變短，從而加快了節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸，提高了全局效率。

表1 配對(duì)樣本t檢驗(yàn)

注：檢驗(yàn)的為磁刺激光明穴與磁刺激假穴兩種狀態(tài)的組間差異，表中所列均值、標(biāo)準(zhǔn)差都是針對(duì)差值的統(tǒng)計(jì)量。

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

圖4 隨網(wǎng)絡(luò)平均度變化的參數(shù)曲線。(a)聚類系數(shù)和特征路徑長度隨網(wǎng)絡(luò)平均度的變化；(b)全局效率和特征路徑長度隨網(wǎng)絡(luò)平均度的變化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 討論

本研究意在從腦功能網(wǎng)絡(luò)的角度探索磁刺激穴位對(duì)大腦調(diào)節(jié)機(jī)制的影響，也是對(duì)傳統(tǒng)中醫(yī)理論依據(jù)的一種全新的探索。有研究顯示，針刺光明穴對(duì)視覺系統(tǒng)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路整合有一定的影響，并且針刺光明穴可顯著提高近視患者的視力水平[21-22]；前人在對(duì)針刺穴位所得大腦功能磁共振的數(shù)據(jù)研究中發(fā)現(xiàn)，針刺某穴位可以引起大腦相應(yīng)區(qū)域的神經(jīng)生理興奮[23]。本研究結(jié)合針刺穴位對(duì)大腦的影響，對(duì)磁刺激穴位的分析結(jié)果加以討論。枕葉區(qū)主要功能是處理視覺信息，磁刺激光明穴相比磁刺激假穴，大腦枕葉區(qū)的連接數(shù)目增多，推測(cè)在光明穴接受到磁刺激后，提高了枕區(qū)及其鄰近腦區(qū)的活躍性。各項(xiàng)腦功能網(wǎng)絡(luò)參數(shù)平均值的分析，腦功能網(wǎng)絡(luò)平均度的增大，即節(jié)點(diǎn)度增大，亦即連接該節(jié)點(diǎn)的邊數(shù)增多，推測(cè)磁刺激光明穴可以使腦區(qū)間的功能性連接增強(qiáng)，提高腦區(qū)活躍性；特征路徑長度的降低，推測(cè)磁刺激光明穴可以提高腦網(wǎng)絡(luò)間信息的傳輸速度，提高了網(wǎng)絡(luò)效率；聚類系數(shù)的增強(qiáng)，表示網(wǎng)絡(luò)集群程度提高，網(wǎng)絡(luò)間聯(lián)系更加緊密；磁刺激光明穴腦功能網(wǎng)絡(luò)全局效率的提高，推測(cè)磁刺激光明穴可以使對(duì)應(yīng)腦區(qū)之間的信息能夠更加有效地傳播；磁刺激光明穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)局部效率的提高，推測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)之間的信息交流加快；磁刺激光明穴腦功能網(wǎng)絡(luò)小世界屬性提高，即網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加緊湊，腦區(qū)間的交流加強(qiáng)。通過對(duì)聚類系數(shù)、特征路徑長度、全局效率及局部效率依據(jù)網(wǎng)絡(luò)平均度的變化，推得各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化并不是獨(dú)立的，而是相互依存的，是各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)共同變化引發(fā)了相關(guān)腦區(qū)連接和活躍性的變化。

由以上分析討論可知，磁刺激光明穴可以改變相應(yīng)腦區(qū)的連接，使得大腦相應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)興奮，同針灸穴位達(dá)到了類似的效果，但卻避免了針灸帶來的不適和疼痛，為某些疾病的治療提供了新思路。

本研究所選取的被試均為正常被試，雖然能夠?yàn)橄嚓P(guān)疾病的治療提供參考，但并未探究出治療相關(guān)疾病或輔助治療相關(guān)疾病的量化結(jié)果。所以，下一步的研究計(jì)劃在患有眼部相關(guān)疾病的被試身上展開，期望探索到有利于眼部疾病治療的磁刺激量化值。在構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)選取構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)的閾值目前并沒有公認(rèn)的方法，而閾值選取的不同給腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來差異，在選取閾值過程中只采用了一種方法，沒有進(jìn)一步考慮其他閾值方法，這將會(huì)是下一步研究的一個(gè)方向。

4 結(jié)論

本次對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析利用的是基于圖論的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法。利用皮爾遜相關(guān)分析，對(duì)多通道的腦電信號(hào)進(jìn)行了線性關(guān)聯(lián)特性分析，構(gòu)建出了磁刺激光明穴和磁刺激假穴的腦功能網(wǎng)絡(luò)，探究出磁刺激光明穴對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)具有一定的影響。通過對(duì)所構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)連接程度和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的分析，得出磁刺激光明穴對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)具有積極的影響，可以加快腦區(qū)間信息的交流和傳遞，并且這種影響并不只體現(xiàn)在單一獨(dú)立的腦區(qū)，對(duì)大腦多個(gè)腦區(qū)之間都存在積極的影響。這說明，大腦是一個(gè)協(xié)同工作的整體，每一項(xiàng)指令的發(fā)出都不是單一腦區(qū)作用的結(jié)果。

磁刺激技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景的生物組織刺激技術(shù)，它從出現(xiàn)至今已經(jīng)成為了研究領(lǐng)域和臨床應(yīng)用中的重要技術(shù)手段，磁刺激技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為多種疾病的治療提供了新的技術(shù)手段，也為研究者對(duì)大腦機(jī)制的探索開辟了新的方向。

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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， 錄用日期:2016-07-28

國家自然科學(xué)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