非線性動力學分析在重復經(jīng)顱磁刺激對阿爾茨海默病大鼠學習記憶能力改善方面的應用*

崔桂雪，閆海亮，張紅星，于毅△

（1.涿州市醫(yī)院，河北 涿州072750；2.新鄉(xiāng)醫(yī)學院，河南 新鄉(xiāng)453003）

1 引 言

隨著中國人口老齡化日益嚴重，老年癡呆患者人數(shù)不斷上升。老年癡呆又稱阿爾茨海默?。╝lzheimer disease，AD），AD患者的主要癥狀是進行性認知功能障礙和記憶損害［1-2］。目前關于AD的藥物治療效果并不理想，雖然已有基因和免疫療法［3-5］，但其尚處于試驗階段，因此一些學者將目光投向特異性好、經(jīng)濟成本低的物理療法，即重復經(jīng)顱磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）［6-7］。腦電圖（EEG）通過頭皮電極記錄大腦神經(jīng)細胞的電生理活動，利用工程學手段對EEG信號進行分析，可以得出一些客觀的病理診斷信息［8］。傳統(tǒng)的腦電處理方法有著自身的缺陷，近年來出現(xiàn)了腦電信號的非線性動力學分析，能更好的反應腦電信號的本質(zhì)［9］。LZ復雜度作為非線性動力學常用指標之一，具有突出的優(yōu)點，其算法簡單、抗干擾和抗噪聲能力強，對隨機、確定以及混沌信號均可以使用，只需要使用較少的數(shù)據(jù)就可以得到較穩(wěn)定的結(jié)果［10］。

2 研究對象

同批次健康成年雄性（sprague-dawley，SD）大鼠100只飼養(yǎng)于溫度22±2℃，濕度55%～56%，光照條件維持晝夜節(jié)律12 h明暗交替，給予大鼠自由飲水及攝食，進入實驗時體重約為220～250 g。

3 實驗方法

3.1 AD模型制備

大鼠雙側(cè)海馬注射經(jīng)36 h孵育的Aβ1-42制備AD大鼠模型。參考Paxinos＆Watson的方法選取大鼠雙側(cè)海馬，于前囟向后3.2 mm，中線旁開2.5 mm處。術中注意無菌操作，以降低動物死亡率。7 d后進行Morrs水迷宮實驗驗證模型。

3.2 rTMS干預方法

造模結(jié)束14 d后進行rTMS干預，rTMS“8”字形線圈置于（rTMS＋AD）組大鼠頭部上方，線圈平面與大鼠頭皮緊貼平行；AD組和正常組進行偽刺激，將線圈翻轉(zhuǎn)向上，使其接受無脈沖作用于頭部的偽刺激。治療安排：將（rTMS＋AD）組、AD組和正常組放置于相同的環(huán)境，連續(xù)14 d，每天上午進行rTMS和偽刺激，各項刺激參數(shù)見表1。

表1 r TMS刺激參數(shù)Table 1 r TMS stimulation parameters

3.3 行為學指標觀察

磁刺激干預結(jié)束后，三組大鼠每組隨機挑選8只進行Morris水迷宮實驗以檢測各組大鼠空間學習記憶能力的差異，包括定位航行實驗和空間探索實驗，前者用于測試大鼠的學習能力，后者用于測試大鼠的記憶能力。

3.4 腦電指標測量

3.4.1 電極制作與固定 腦電采集電極所用材料（見圖1a），具體制作步驟：（1）將 PCB板與20針Samtec接口焊接到一起。（2）將8根銅絲一端擰上專用小螺絲釘，另一端焊接到PCB板上。（3）使用萬用表檢測各個通道的導通性。（4）鋪膠封裝電極。

圖1 a.制作電極所用材料；b.腦電采集Fig 1a.Electrode material；b.EEG acquisition

電極固定：（1）將稱重之后的大鼠使用10%水合氯醛（10 g/100 mL）進行麻醉。（2）固定大鼠于立體定位儀上，內(nèi)耳連線比上門齒水平高0.5 mm，剪去其頭部皮毛，除去顱骨軟組織，暴露出顱骨，使其前后囟清晰可見。（3）使用立體定位儀上的千分尺確定電極坐標，即額葉定位坐標：前囟后1.5 mm，中線旁2.0 mm；顳葉定位坐標：前囟后3.0 mm，中線旁3.5 mm；頂葉定位坐標：前囟后3.5 mm，中線旁1.0 mm；枕葉定位坐標：前囟后5.0 mm，中線旁3.2 mm。所有電極下降深度為0.5 mm，參考電極置于嗅球上方，接地電極置于人字縫后方3.0 mm，中線旁0 mm處。（4）將電極制作步驟中的8個螺絲固定于做標記處，使用牙科水泥封合暴露的顱骨。

3.4.2 腦電采集 待大鼠麻醉清醒后，利用Cerebus 64通道神經(jīng)電生理信號記錄系統(tǒng)連續(xù)一周采集大鼠腦電（見圖1b），采樣頻率為1 KHz，陷波器為50 min，每只大鼠每次記錄8 min（分4次，每次2 min）。

3.5 腦電信號處理與統(tǒng)計分析

用3sigma方法剔除具有明顯較大誤差的數(shù)據(jù)組，各個通道腦電經(jīng)0～30 Hz帶通濾波之后，利用AR模型功率譜估計算法計算各個通道δ（1～3 Hz）、θ（4～7 Hz）、α（8～13 Hz）和 β（14～30 Hz）頻帶內(nèi)的能量，求取每組大鼠每次采集腦電各個頻帶內(nèi)的平均能量值作為最終的各個頻帶能量值；使用二值粗?；椒ㄇ竺拷M大鼠各個通道的δ、θ、α和β頻帶的LZ復雜度，求出每組大鼠每次采集腦電各個頻帶內(nèi)的平均LZ復雜度值作為最終各個頻帶的LZ復雜度值。其中利用3sigma法剔除較大誤差數(shù)據(jù)在Excel中完成，帶通濾波、求功率譜和LZ復雜度在MATLAB軟件中編程實現(xiàn)，以及使用spss19.0進行獨立樣本t檢驗檢測各組之間的差異。

4 實驗結(jié)果

4.1 水迷宮實驗結(jié)果

AD組較正常組逃避潛伏期延長，距離平臺平均距離變大，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；（rTMS＋AD）組較AD組逃避潛伏期縮短，距離平臺平均距離變小，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見圖2和表2。

表2 水迷宮實驗結(jié)果統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of the results of water maze experiment

圖2 水迷宮實驗結(jié)果Fig 2 Results of water maze experiment

4.2 腦電波功率譜結(jié)果

見圖3和表3，AD組腦電中低頻成分（delta＋theta）和高頻成分（alpha＋beta）的能量比值均較正常組大鼠增大，其中21通道左顳葉、25通道左頂葉、26通道右頂葉以及30通道右額葉的差異有統(tǒng)計學意義，18通道左枕葉和22通道右顳葉的差別無統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；（rTMS＋AD）組腦電中低頻成分（delta＋theta）和高頻成分（alpha＋beta）的能量比值在18通道左枕葉、21通道左顳葉、22通道右顳葉以及30通道右額葉較AD組減小，在25通道左頂葉和26通道右頂葉較AD組增大，其中只有21通道左顳葉差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表3 腦電功率譜統(tǒng)計分析Table 3 Statistical analysis of EEG power spectrum

圖3 大鼠功率譜對比分析圖Fig 3 Comparison Analysis of power spectrum

4.3 腦電波非線性動力學分析-LZ復雜度分析

見圖4和表4，AD組各通道腦電LZ復雜度較正常組降低，且左顳葉、左頂葉、右額葉、右顳葉、右頂葉和左枕葉的降低幅度依次為52.31%、45.16%、29.23%、23.94%、19.67%和 11.86%，差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；（rTMS＋AD）組各通道腦電LZ復雜度較AD組升高，且左顳葉、右額葉、右頂葉、左頂葉、右顳葉和左枕葉的升高幅度依次為64.52%、41.30%、36.73%、29.41%、27.78%和21.15%，差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表4 大鼠腦電LZ復雜度的統(tǒng)計分析Table 4 Statistical analysis of EEG LZ complexity

圖4 大鼠腦電LZ復雜度對比分析圖Fig 4 Comparison of EEG LZ complexity

5 討論

通過對比三組大鼠的腦電信號功率譜結(jié)果可得，AD組大鼠腦電中低頻成分較正常組增高，與國內(nèi)外相關文獻中研究結(jié)果相同。（rTMS＋AD）組大鼠左枕葉、左顳葉、右顳葉以及額葉腦電中低頻成分較AD組減低，而左頂葉和右頂葉腦電中低頻成分較AD組增高。文獻中表明乙酰膽堿和基底前腦維持著腦電的非同步性，由此引發(fā)的功能障礙不能抑制皮質(zhì)慢振蕩引發(fā)的慢節(jié)律，導致快波成分減少和慢波成分的增加［12］。

LZ復雜度表征一個時間序列里出現(xiàn)新模式的速率，復雜度值越高，也說明動力行為學越復雜，腦電信號中含有的信息量越多［13］。本研究中AD組各個通道腦電信號LZ復雜度較正常組降低（見圖4），減小幅度為12.4% ～52.2%，說明AD組腦電復雜度呈彌漫性減低，各個通道減小幅度不一，且與記憶相關的左顳葉減低幅度最大。AD組腦電復雜度降低說明AD大鼠腦電中包涵的信息量減少，其對周圍環(huán)境的變化做出的反應變得簡單。大鼠水迷宮實驗顯示AD組大鼠逃避潛伏期較正常組延長，距離平臺距離較正常組增加，說明AD組大鼠學習記憶能力減低。水迷宮實驗結(jié)果與LZ復雜度結(jié)果符合。

（rTMS＋AD）組大鼠各個通道腦電信號的LZ復雜度較AD組均有上升，上升幅度從9.4%～63.2%。其中左顳葉上升幅度最大63.2%，（rTMS＋AD）組大鼠腦電中復雜度的上升說明rTMS使AD大鼠對周圍事物的反應變得復雜，其腦電信號中包涵的信息量就增加。目前，rTMS對刺激大腦皮質(zhì)的作用機制還不完全清楚，但主要研究結(jié)果均提示rTMS有改變大腦皮質(zhì)興奮性，提高大腦皮質(zhì)神經(jīng)元細胞可塑性和連接性，改變靶位皮質(zhì)血流和代謝的作用［14-15］。大鼠水迷宮實驗結(jié)果顯示（rTMS＋AD）組較AD組逃避潛伏期縮短，距離平臺距離減小，說明經(jīng)過rTMS之后的AD大鼠學習記憶能力提高［16-17］。

由以上可知，rTMS可以改善AD大鼠學習記憶能力，經(jīng)磁刺激之后的AD大鼠各通道腦電信號LZ復雜度統(tǒng)一增加，功率譜變化4個通道低頻成分較AD組增加，2個通道低頻成分較AD組減低，變化結(jié)果不統(tǒng)一；AD組各通道腦電復雜度較正常組降低，且功率譜中低頻成分較正常組增多，復雜度和功率譜變化均比較統(tǒng)一。因此，LZ復雜度更適合用于診斷AD以及評價rTMS對AD大鼠學習記憶能力的改善作用。與臨床上常用的神經(jīng)心理學量表相比，LZ復雜度更加客觀、準確，值得在臨床上推廣使用。