靜息態(tài)腦電圖不同分析方法在解碼卒中針刺效應(yīng)中的應(yīng)用研究

吳林納,徐 帆,楊霖軒,孫 瑱,許瀚予,徐志杰,李桂平△

1.天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院,天津 300193; 2.國(guó)家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心,天津 300193;3.啟元生物(杭州)有限公司,上海 200120

腦卒中常被稱為中風(fēng),主要表現(xiàn)為突然起病、意識(shí)障礙和局灶性神經(jīng)功能缺失,是嚴(yán)重影響中國(guó)國(guó)民健康的重大非傳染性疾病[1]。全球疾病負(fù)擔(dān)研究(Glo-bal burden of disease study,GBD)數(shù)據(jù)顯示,2019年中國(guó)腦卒中造成的死亡人數(shù)高達(dá)219萬(wàn),成為導(dǎo)致我國(guó)人口減壽的主因[2]。中醫(yī)認(rèn)為中風(fēng)多是由于氣血內(nèi)虛、飲食不節(jié)與情緒不調(diào)等導(dǎo)致氣血陰陽(yáng)逆亂、臟腑失和,使血溢腦脈之外或腦脈痹阻,而中醫(yī)學(xué)可通過(guò)針刺特定穴位,達(dá)到活血化瘀、通絡(luò)宣痹的效用以治療本病。多項(xiàng)研究表明針刺對(duì)腦卒中具有確切療效[3],被《中國(guó)卒中學(xué)會(huì)腦血管病臨床管理指南》列為Ⅱ級(jí)推薦[4]。現(xiàn)階段研究多從組織形態(tài)、血液成分、炎癥因子與神經(jīng)遞質(zhì)等角度闡述針刺治療的作用機(jī)制[5],缺乏對(duì)大腦活動(dòng)變化的實(shí)時(shí)模擬或難以直觀揭示中樞層面的針刺效應(yīng)。

隨著信息工程學(xué)科的飛速進(jìn)步,研究人員基于醫(yī)工結(jié)合模式,應(yīng)用靜息態(tài)腦電圖(resting state electroencephalogram,rsEEG)技術(shù)探索針刺對(duì)大腦的調(diào)節(jié)規(guī)律,直觀展示針刺治療的中樞效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了腦功能改變的可視化。近幾年,rsEEG分析技術(shù)不斷更新,從早期的時(shí)域分析,發(fā)展到目前常用的頻域分析、功能連接分析等新型手段。如何在針刺治療腦卒中相關(guān)研究中選擇適宜的腦電分析方法是一個(gè)關(guān)鍵步驟,備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。現(xiàn)總結(jié)近年來(lái)rsEEG技術(shù)在針刺治療缺血性腦卒中(IS)機(jī)制研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀,以期為后續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究提供參考。

1 rsEEG技術(shù)及其分析方法概述

EEG是一種檢測(cè)人腦功能的研究方法,可通過(guò)捕捉神經(jīng)元水平的病生理信息來(lái)反映大腦皮層的活動(dòng)情況,在解析大腦狀態(tài)與認(rèn)知功能等方面發(fā)揮重要作用[6]。腦電信號(hào)按照頻率可分為4個(gè)波段:δ波(1～4 Hz)、θ波(4～8 Hz)、α波(8～13 Hz)與β波(13～30 Hz)。其中,δ波常出現(xiàn)于極度疲勞和深度睡眠狀態(tài);θ波與幻想、情感有關(guān),在精神病患者以及成年人感到挫敗時(shí)最為明顯;α波與注意力、短期記憶和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān),在清醒安靜狀態(tài)下最為明顯,是健康人腦電的基本節(jié)律;β波與感官運(yùn)動(dòng)行為相關(guān),以精神緊張、焦慮亢奮和注意力高度集中時(shí)較為典型[7]。EEG技術(shù)具有時(shí)間分辨率高、采集過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)易與腦電信號(hào)特征為非線性等特點(diǎn),可在毫秒級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)捕獲大腦活動(dòng)產(chǎn)生的復(fù)雜數(shù)據(jù)[8],能很好地揭示中樞層面的針刺效應(yīng)[9]。同時(shí),作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的熱門技術(shù),正逐步應(yīng)用于腦卒中的診斷識(shí)別及判定預(yù)后[10]。

根據(jù)EEG的不同狀態(tài)可分為靜息態(tài)和任務(wù)態(tài),靜息態(tài)腦電記錄卒中患者在安靜放松狀態(tài)下的腦電信號(hào),反映大腦內(nèi)在活動(dòng)模式[11],能夠更全面地觀察患者在各種刺激中表現(xiàn)出的缺損,加深對(duì)疾病本身和干預(yù)措施的理解。rsEEG技術(shù)在解碼腦卒中針刺效應(yīng)研究中的應(yīng)用主要包括時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析、圖論理論與功能連接(Functional connectivity,FC)等。這些方法從時(shí)間特性、頻率特性與腦網(wǎng)絡(luò)等不同視角分析信號(hào),解析針刺刺激時(shí)腦電不同波段的節(jié)律和能量以及刺激產(chǎn)生的信息在大腦內(nèi)的傳遞特點(diǎn),使基于rsEEG技術(shù)的針刺研究從簡(jiǎn)易觀察信號(hào)波形波幅的改變轉(zhuǎn)向?yàn)橥诰蛐盘?hào)變化背后所蘊(yùn)含的內(nèi)容,已成為探討針刺調(diào)節(jié)效應(yīng)的有效工具之一。

2 rsEEG不同分析方法在解碼腦卒中針刺效應(yīng)中的應(yīng)用現(xiàn)況

頭皮腦電信噪比低,采集過(guò)程中容易受到外界噪聲干擾產(chǎn)生偽跡,故在分析前需要預(yù)先去除偽跡,預(yù)處理常用數(shù)字濾波及獨(dú)立成分分析方法。之后再對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,方法包括時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析及基于圖論理論的FC分析。

2.1 腦電信號(hào)預(yù)處理

影響電生理信號(hào)的干擾信號(hào)被稱為人工偽跡,可分為非生理和生理兩類[12],非生理性偽跡主要以工頻干擾為主,生理性偽跡主要由眼部、肌肉與心臟等部位的運(yùn)動(dòng)引起[13]。偽跡會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)的不良變化,從而為分析過(guò)程帶來(lái)了挑戰(zhàn),因此如何規(guī)范且有效地去除偽跡成為應(yīng)用rsEEG技術(shù)所需要解決的首要問(wèn)題。在解碼腦卒中針刺效應(yīng)研究中最常應(yīng)用的預(yù)處理技術(shù)為數(shù)字濾波方法和獨(dú)立成分分析(Independent components analysis,ICA)方法。

數(shù)字濾波是通過(guò)計(jì)算減少干擾信號(hào)占比的一種方法,可分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波以及陷波濾波。多數(shù)研究人員在收集針刺作用下卒中患者腦電信息時(shí)常采用帶通濾波器提取4個(gè)波段信號(hào),少部分根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康闹惶崛】觳?如僅分析α波段旨在研究電針恢復(fù)患者生活能力的作用機(jī)理[14],或僅通過(guò)β波段觀察運(yùn)動(dòng)功能好轉(zhuǎn)與卒中發(fā)作時(shí)間的相關(guān)性以探究電針介入的最優(yōu)時(shí)機(jī)[15];還有試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比快波α和慢波δ評(píng)價(jià)針刺前后大腦功能狀態(tài)和組織損害情況[16]。此外,王鵬博[17]、Guo XL等[18]還采用陷波濾波器去除50 Hz工頻干擾。盡管該方法快捷,但理想狀態(tài)下要求偽跡與正常腦電頻帶不混疊[19],在實(shí)際情景中難以實(shí)現(xiàn),極易在濾除偽跡時(shí)損失部分有用信息。

相較于濾波技術(shù)把其余信號(hào)全部濾除不能找回,ICA作為一種實(shí)現(xiàn)盲源分離的通用方法,其主要用途是分離rsEEG信號(hào)中的偽影[20]。根據(jù)此算法理論,眼電(Electrooculography,EOG)、心電(Electrocardiography,ECG)和肌電(Electromyography,EMG)等產(chǎn)生的偽跡均可看作獨(dú)立信號(hào)源,ICA通過(guò)統(tǒng)計(jì)不相關(guān)性,可分離偽跡并保留有用信號(hào)。Song Z T等[21]認(rèn)為EOG偽跡嚴(yán)重影響卒中患者針刺前-中-后腦電數(shù)據(jù)的后續(xù)分析,故應(yīng)用ICA側(cè)重去除EOG;另有學(xué)者在預(yù)處理中以去除ECG為主[22]。而彭景[23]、Lin YF等[15]研究者則選擇去除EOG、ECG、EMG和其他類型的偽跡,盡量減少其對(duì)有用信號(hào)帶來(lái)的不良影響。不足之處在于較為耗時(shí)費(fèi)力需人工判別偽跡成分,并且去除效果依賴于數(shù)據(jù)量。

預(yù)處理方法對(duì)提高信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要,同時(shí)也是基于腦電技術(shù)揭示針刺治療腦卒中作用機(jī)制的先決條件,常用的數(shù)字濾波和ICA均有不足之處,而研究表明機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于提高預(yù)處理去除偽跡水平有巨大潛力[24],但目前針刺領(lǐng)域的腦電研究較少使用此法。

2.2 時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析

2.2.1 時(shí)域分析 原始rsEEG信號(hào)是由很多個(gè)樣本點(diǎn)數(shù)所構(gòu)成的一個(gè)有限的離散的時(shí)間域數(shù)據(jù)。時(shí)域分析直接從時(shí)域數(shù)據(jù)中提取特征,其主要關(guān)注rsEEG波幅隨時(shí)間進(jìn)程的變化情況,且具有直觀性強(qiáng)、計(jì)算快捷與物理意義明確的特點(diǎn),是最早發(fā)展起來(lái)的腦電信號(hào)研究方法[25]。

既往研究分析rsEEG主要通過(guò)肉眼觀察,可看作是人工時(shí)域分析,如劉麗瑾等[26]通過(guò)肉眼觀察腦出血患者接受針刺后的rsEEG發(fā)現(xiàn)信號(hào)從以δ節(jié)律為主遷移到以α節(jié)律為主。另有學(xué)者應(yīng)用時(shí)域分析揭示針刺的部分促醒機(jī)制,通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間范圍內(nèi)腦電信號(hào)的頻率和波幅變化證實(shí)相較于毫針組和空白組,電針可顯著增快急性腦梗死患者的rsEEG頻率[27-28],雖未明言患者腦電波段主要類型,但頻率增快預(yù)示著大腦從疲勞睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)向清醒狀態(tài)。時(shí)域分析由于無(wú)須濾波處理,具有更高的時(shí)間精度,然而時(shí)域分析僅能體現(xiàn)幅值隨時(shí)間的變化,缺少對(duì)頻段內(nèi)容的挖掘,不足以全面反映信號(hào)中所蘊(yùn)藏的信息。

2.2.2 頻域分析 傅里葉變換作為一種線性積分變換,可將腦電信號(hào)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)換后,頻域分析可描述信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)和各頻率成分的幅值大小。因此rsEEG信號(hào)在頻域往往比在時(shí)域更加直觀[27-28],所以大多數(shù)基于rsEEG技術(shù)的針刺研究是在頻域下進(jìn)行的。

部分研究通過(guò)應(yīng)用頻域分析重點(diǎn)關(guān)注β帶功率變化,以揭示針刺恢復(fù)卒中患者運(yùn)動(dòng)、行為與感覺(jué)功能的效應(yīng)機(jī)制。如Zou F等[22]研究單次電針對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙的卒中患者產(chǎn)生的即刻效應(yīng),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電針能使弛緩性及痙攣性癱瘓的患者雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層β帶功率增加,δ帶功率降低。兩年后的一項(xiàng)電針對(duì)卒中后失眠患者日間嗜睡的影響研究[17]亦表明首次電針刺激過(guò)程中β頻段能量增加,但略有不同的是研究還發(fā)現(xiàn)慢波δ頻段能量也在增加,這可能與δ波振蕩是機(jī)體邁向清醒狀態(tài)的穩(wěn)健生物標(biāo)志物[29]有關(guān);研究還觀察了電針的累積效應(yīng),治療3周后,腦區(qū)反應(yīng)提高,僅有β頻段功率增加,嗜睡癥狀改善顯著。有試驗(yàn)僅探索針刺的累積效應(yīng),結(jié)果表明[23]肢體麻木的卒中患者在治療12次后β波平均功率在額葉區(qū)較前明顯提高,且與諾丁漢感覺(jué)評(píng)價(jià)量表評(píng)分的升高呈正相關(guān)。

α頻帶功率與中風(fēng)患者的運(yùn)動(dòng)和日常生活功能有明顯的相關(guān)性,被認(rèn)為是卒中患者臨床結(jié)局的腦電圖定量指標(biāo)[30],故有研究應(yīng)用頻域分析著眼于α頻帶變化,意在闡釋針刺康復(fù)的效應(yīng)機(jī)制,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)針刺中α頻帶節(jié)律明顯增加,針刺后仍保持高振幅[14]。簡(jiǎn)而言之,針刺可通過(guò)減少代表疲勞狀態(tài)δ波的大腦活動(dòng),增強(qiáng)代表清醒狀態(tài)的α波、β波功率,增強(qiáng)腦電覺(jué)醒活動(dòng),進(jìn)而發(fā)揮康復(fù)療效。遺憾的是頻域分析只能展示頻段能量的分布,缺乏時(shí)間信息,無(wú)法體現(xiàn)特定頻段能量隨時(shí)間的變化,僅適用于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析。

2.2.3 時(shí)頻分析 時(shí)域和頻域分析方法主要用于解析平穩(wěn)信號(hào),對(duì)于不平穩(wěn)、非線性的rsEEG信號(hào),獨(dú)立應(yīng)用二者都難以提取出有效的特征信息,而時(shí)頻分析方法能夠準(zhǔn)確地提取到非線性信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的特征信息,彌補(bǔ)了時(shí)域及頻域分析方法的缺點(diǎn)[31]。有文獻(xiàn)提及運(yùn)用rsEEG時(shí)頻分析的傅里葉變換和小波變換探究針刺對(duì)卒中后上肢運(yùn)動(dòng)功能的影響[16],但只統(tǒng)計(jì)了α和β頻帶的平均功率數(shù)值,并未清晰地闡釋信號(hào)頻率時(shí)變性。既往有學(xué)者采用時(shí)頻分析方法解碼針刺鎮(zhèn)痛機(jī)制[32],觀測(cè)不同頻段的響應(yīng)情況,更為全面地展現(xiàn)針刺引發(fā)大腦振蕩信號(hào)活動(dòng)的變化模式,這提示研究人員后續(xù)應(yīng)當(dāng)提取靜息態(tài)腦電數(shù)據(jù)中更多的特征信息,以明確針刺對(duì)卒中患者腦區(qū)的調(diào)節(jié)規(guī)律。

2.3 基于圖論理論的FC分析

FC是指解剖學(xué)上不同但功能協(xié)作的大腦區(qū)域中活動(dòng)的時(shí)間同步,其相應(yīng)分析方法可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)神經(jīng)元集合體活動(dòng)之間的各種關(guān)系,目前已成為研究rsEEG的主要手段[33]。FC分析常用的指標(biāo)有:皮爾森系數(shù)(Pearson correlation coefficient,PCC)、波譜相干(Spectral coherence,SC)、相互信息(Mutual information,MI)、相位滯后指數(shù)(Phase lag index,PLI)、鎖相值(Phase locking value,PLV)、定向傳遞函數(shù)(Directed transfer function,DTF)和部分定向相干(Partial directed coherence,PDC)。隨著分析方法的革新,大腦功能的數(shù)據(jù)集越來(lái)越多,因此需要一種新的多學(xué)科方法來(lái)解構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)。圖論理論作為腦網(wǎng)絡(luò)分析領(lǐng)域的新興方法,使用由節(jié)點(diǎn)和邊組成的圖來(lái)表示腦網(wǎng)絡(luò)[34-35]。其中,節(jié)點(diǎn)代表腦區(qū),邊象征腦區(qū)間的功能連接,節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度就是和此節(jié)點(diǎn)相連邊的數(shù)目,總結(jié)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系,以節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和邊緣權(quán)重描述腦功能的分離和整合特性,在拓?fù)渌缴隙攘看竽X不同區(qū)域之間的功能連通性。

應(yīng)用FC分析不僅可以闡釋針刺作用機(jī)理,而且可以為優(yōu)化針灸介入方案提供理論支持。有試驗(yàn)基于圖論理論采用PCC、MI、PLI、DTF與PDC等多種FC度量指標(biāo)構(gòu)建α和β頻帶的腦網(wǎng)絡(luò)圖譜,從節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)性、相位同步程度與信息傳遞方向等角度研究電針對(duì)不同病程卒中患者腦功能連通性的改變[21]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同病程的患者功能連接數(shù)量、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度均有所增加,表明電針可在不同維度上增加腦區(qū)的功能連通性,進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)元重塑,以恢復(fù)肢體功能。但無(wú)論使用哪個(gè)指標(biāo)進(jìn)行映射,病程越長(zhǎng)的患者腦區(qū)反應(yīng)越弱,提示醫(yī)師應(yīng)當(dāng)把握針刺介入的黃金時(shí)機(jī)。

人腦是以各個(gè)功能區(qū)聯(lián)合協(xié)作的方式工作,不同功能區(qū)內(nèi)部及功能區(qū)之間都有廣泛的協(xié)作關(guān)系。功能連接和腦網(wǎng)絡(luò)特征可以描述不同區(qū)域之間的功能整合聯(lián)系,直觀化大腦不同腦區(qū)協(xié)同合作的信息。而卒中患者信號(hào)傳入輸出的過(guò)程發(fā)生障礙,連通性異于健康人,因此可以通過(guò)基于圖論理論的FC挖掘針刺對(duì)卒中患者腦區(qū)的調(diào)節(jié)規(guī)律,并且腦網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)形式展示了更多的空間結(jié)構(gòu),這是其他分析方法所不具備的。

3 總結(jié)

目前,從rsEEG視角揭示針刺治療IS的中樞效應(yīng)機(jī)制研究正在逐步深入中,雖然該技術(shù)具有可視化大腦的功能活動(dòng),但存在空間分辨率較低等不足之處。隨著工程信息技術(shù)的不斷發(fā)展,形成了EEG-fMRI、EEG-NIRS等多模態(tài)融合的腦功能成像手段,各模態(tài)技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短,全面提高了檢測(cè)的精確性及時(shí)效性[6],有望成為今后針刺研究中的主流應(yīng)用工具。

應(yīng)用rsEEG不同分析方法從各個(gè)尺度腦功能水平闡述腦卒中針刺效應(yīng),有助于直觀的解析結(jié)果,然而由于大腦活動(dòng)的復(fù)雜性和腦電信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性,傳統(tǒng)的分析方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)刻畫(huà)及排除非針刺效應(yīng)因素?；谝蛩氐目剂?有學(xué)者認(rèn)為微狀態(tài)分析是極具競(jìng)爭(zhēng)力的針刺效應(yīng)研究工具[36],相對(duì)穩(wěn)定的微狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,在保留了信號(hào)的時(shí)間域信息同時(shí)又涵蓋了空間域信息,可通過(guò)微狀態(tài)時(shí)間序列和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換,全局衡量針刺時(shí)大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性,更為精準(zhǔn)地刻畫(huà)針刺的即刻效應(yīng),或有望成為闡釋特定針刺手法的新方法。

此外,研究人員提出采用深度學(xué)習(xí)模型,可解構(gòu)針刺數(shù)據(jù)之間的隱藏關(guān)系,通過(guò)自動(dòng)提取信號(hào)之間最重要的辨識(shí)特征,形成端對(duì)端的網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)針對(duì)性地刻畫(huà)數(shù)據(jù)關(guān)系[37-39],準(zhǔn)確反映針刺效應(yīng),盡可能排除其他因素干擾。目前,一項(xiàng)基于rsEEG技術(shù)應(yīng)用深度學(xué)習(xí)模型探索“醒腦開(kāi)竅針?lè)ā敝委熑毖阅X卒中作用機(jī)制的臨床試驗(yàn)研究正在開(kāi)展[40],實(shí)現(xiàn)了針刺作用下大腦內(nèi)部狀態(tài)刻畫(huà),直觀闡釋了針刺不同腧穴對(duì)患者腦區(qū)的調(diào)節(jié)規(guī)律。此外,深度學(xué)習(xí)模型能根據(jù)患者的基礎(chǔ)信息和病史資料提供個(gè)性化診療方案,為臨床提供決策支持[41]。

未來(lái),研究人員可利用先進(jìn)的rsEEG采集工具及分析方法將大樣本臨床信息和腦電數(shù)據(jù)整合,揭示效應(yīng)機(jī)制同時(shí)預(yù)測(cè)療效,并在個(gè)體水平上提供針對(duì)性的臨床指導(dǎo),達(dá)到針灸轉(zhuǎn)化研究的新高度。