金榮杭 羅志增＃* 史紅斐

1（杭州電子科技大學(xué)智能控制與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

2（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)院， 浙江金華 322000）

引言

經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation， tDCS）是一種通過微弱的恒定電流使大腦皮層發(fā)生極化從而改變皮層興奮性的非侵入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)［1］。按刺激電流極性的不同，tDCS 可分為陽極刺激和陰極刺激。有研究表明，陽極刺激增強(qiáng)皮質(zhì)的興奮性，使神經(jīng)元膜電位去極化；陰極刺激則降低皮質(zhì)興奮性，使靜息膜電位超極化［2］。tDCS 具有刺激電流小、極性和位置可調(diào)、安全性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)［3］，可調(diào)控人腦神經(jīng)活動(dòng)、促進(jìn)腦功能連接重建，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制的可塑性變化。近5年來，功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和單光子發(fā)射斷層成像（positron emission computed tomography，PET）等現(xiàn)代成像技術(shù)和腦電信號(hào)分析手段的不斷成熟，使單純電刺激影響腦活動(dòng)的研究進(jìn)入到了更深層次的腦組織分析和神經(jīng)系統(tǒng)的層面，tDCS 技術(shù)再度成為了研究熱點(diǎn)［4］。本研究基于偏定向相干（parietal directed coherence， PDC）因果分析方法，構(gòu)建被試在不同tDCS 范式下的運(yùn)動(dòng)想象因效性腦網(wǎng)絡(luò)模型，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型理論，提取因效性腦網(wǎng)絡(luò)的有效特征，為運(yùn)動(dòng)想象的腦連接狀態(tài)以及皮層活躍性評(píng)估提供有效測(cè)度和理論支撐。

運(yùn)動(dòng)想象（motor imagery，MI）具有激活大腦自身細(xì)胞可塑性的潛力［5］，可加速修復(fù)外部肢體與大腦間的神經(jīng)功能連接，即人體做真實(shí)肢體運(yùn)動(dòng)與肢體運(yùn)動(dòng)想象但無明顯動(dòng)作輸出的情況下，大腦的感覺運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)均處于活躍狀態(tài)。Irma 等［6］研究發(fā)現(xiàn)，陽極tDCS 刺激右側(cè)主運(yùn)動(dòng)區(qū)能夠提高左手運(yùn)動(dòng)想象的分類識(shí)別率。孟獻(xiàn)龍等［7］通過經(jīng)顱直流電刺激主運(yùn)動(dòng)區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)刺激輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和主運(yùn)動(dòng)區(qū)能更加有效地改善運(yùn)動(dòng)想象腦功能網(wǎng)絡(luò)特征。Jana 等［8］發(fā)現(xiàn)tDCS 陽極刺激主運(yùn)動(dòng)區(qū)不僅能調(diào)節(jié)和增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)想象，還能誘導(dǎo)產(chǎn)生在靜息狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生的自主運(yùn)動(dòng)想象。由此推斷，tDCS 刺激主運(yùn)動(dòng)區(qū)能有效調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)想象。

利用腦網(wǎng)絡(luò)對(duì)腦功能機(jī)制和腦認(rèn)知狀態(tài)進(jìn)行基礎(chǔ)研究具有重要的意義［9］。目前，已有研究人員應(yīng)用tDCS 對(duì)腦卒中患者的腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。Darkow 等［10］利用tDCS 刺激卒中后失語癥患者的M1 區(qū)，改善了患者腦功能的整體正?；?，增加了腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信。Lefebvre 等［11］的研究結(jié)果表明，tDCS 結(jié)合常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于改變慢性卒中后患者感覺運(yùn)動(dòng)皮層的腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有積極作用。Hordacre 等［12］研究卒中后患者實(shí)施tDCS 后腦功能網(wǎng)絡(luò)連接性變化情況，顯示腦連通性增強(qiáng)。大量的研究表明tDCS 對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)存在一定影響。因此，基于腦網(wǎng)絡(luò)，分析研究tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的影響具有重要意義。然而目前大多數(shù)研究都是基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)或者相位同步構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)，分析tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的影響，但腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是基于不同腦區(qū)間信號(hào)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的功能連接是無向的。因此，功能網(wǎng)絡(luò)不能用于描述腦區(qū)間的動(dòng)態(tài)信息流向，僅從腦功能網(wǎng)絡(luò)的角度分析tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的影響勢(shì)必存在缺陷。而在功能網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的因效網(wǎng)絡(luò)，不僅體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的功能連接，而且反映了節(jié)點(diǎn)間的因果關(guān)系［13］，可將不同大腦功能區(qū)間的相互作用描述成動(dòng)態(tài)的信息流。因效性腦網(wǎng)絡(luò)能更加有效地反應(yīng)腦網(wǎng)絡(luò)連接變化情況。

本研究以功能腦區(qū)通道信息流入、流出率為局部特征，平均聚類系數(shù)和全局效率為全局特征，研究tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)想象因效性腦網(wǎng)絡(luò)特征的影響，探索特征差異的神經(jīng)生理調(diào)節(jié)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)被試共16 位，男8 位，女8 位，年齡（24±2）歲，均為右利手，身體狀態(tài)良好，受教育水平相當(dāng)。每位被試在刺激前后均要求完成左、右手抓握茶杯兩種運(yùn)動(dòng)想象范式各20 次的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。所有被試已被告知實(shí)驗(yàn)具體流程以及潛在風(fēng)險(xiǎn)，并簽署了知情同意書。

1.2 設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

腦電信號(hào)采集設(shè)備為博睿康公司的64 導(dǎo)聯(lián)腦電采集儀，同時(shí)采用西班牙Neuroelectrics 公司的4×1高精度經(jīng)顱電刺激儀進(jìn)行刺激，腦電信號(hào)的采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz。

本研究將刺激的目標(biāo)區(qū)域定為右側(cè)主運(yùn)動(dòng)區(qū)（C4）和左側(cè)主運(yùn)動(dòng)區(qū)（C3）。刺激方式分為陽極刺激、陰極刺激和偽刺激。范式1：陽極置于C3 點(diǎn)，陰極置于右眼眶上側(cè)（Fp2）；范式2：陰極置于C3 點(diǎn)，陽極置于右眼眶上側(cè)（Fp2）；范式3：陽極置于C4點(diǎn)，陰極置于左眼眶上側(cè)（Fp1）；范式4：陰極置于C4 點(diǎn)，陽極極置于左眼眶上側(cè)（Fp1）。刺激電流的發(fā)放時(shí)序如圖1 所示，陰／陽極tDCS 刺激電流為1 mA，刺激開始和結(jié)束均有30 s 淡入淡出時(shí)間，電流慢慢由0 變化到1 mA，使被試不會(huì)感到過度異樣的感覺，1 mA 電流刺激時(shí)長20 min。偽刺激組的電流刺激大小設(shè)置為1 mA，時(shí)長2 min，具有相同時(shí)長的淡入淡出時(shí)間，使得被試在與真實(shí)刺激的感覺上沒有差異。刺激電極在10-20 國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)分布中的物理位置如圖2 所示。

圖1 刺激電流發(fā)放時(shí)序。（a） 偽tDCS 電流（b） 陽極／陰極tDCS 刺激電流Fig.1 Timing of stimulus current discharge. （a）sham tDCS current （b） cathode／ anode tDCS current

圖2 刺激電極的位置分布Fig.2 Position distribution of stimulation electrodes

在運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)采集過程中，眨眼難以避免， 眼球或眼皮運(yùn)動(dòng)等引起的眼電信號(hào)（electrooculogram， EOG）沿顱骨傳播與腦電信號(hào)發(fā)生融合，使EEG 產(chǎn)生偽跡。為濾除眼電偽跡，每輪實(shí)驗(yàn)中，腦電采集設(shè)備需要連續(xù)同步采集受試者的EEG 及額外獨(dú)立的EOG 信號(hào)，以便EEG 預(yù)處理消除偽跡。

1.3 運(yùn)動(dòng)想象實(shí)驗(yàn)范式

文獻(xiàn)［14］的研究表明，視覺和聽覺引導(dǎo)引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)想象能提高運(yùn)動(dòng)想象皮層活躍度，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)想象效果。為了盡可能排除視覺刺激對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的影響，本研究選用左、右手抓握茶杯的視頻異步引導(dǎo)被試進(jìn)行左、右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)。以被試執(zhí)行右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)為例，具體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膶?shí)施時(shí)序如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)想象實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Flow chart of motor imagery experiment

實(shí)驗(yàn)時(shí)被試坐在扶手椅中，顯示屏放距離被試1.5 m，與其眼部水平的位置。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中被試正視顯示屏。當(dāng)屏幕抓握茶杯的視頻時(shí)，提示被試開始準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)想象，準(zhǔn)備時(shí)間3 s；當(dāng)屏幕上出現(xiàn)“start”字樣時(shí)，被試開始運(yùn)動(dòng)想像任務(wù)，運(yùn)動(dòng)想象時(shí)間10 s。當(dāng)屏幕變?yōu)榘灼習(xí)r，提示被試結(jié)束運(yùn)動(dòng)想象進(jìn)入5 s 的放松狀態(tài)。每位被試重復(fù)運(yùn)動(dòng)想象實(shí)驗(yàn)10 次。

1.4 因效性腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

根據(jù)多導(dǎo)聯(lián)頭皮EEG 構(gòu)建因效性腦網(wǎng)絡(luò)，首先需要選取導(dǎo)聯(lián)數(shù)目并將各導(dǎo)聯(lián)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，之后采用因果分析方法量化各導(dǎo)聯(lián)信號(hào)間的相互作用關(guān)系，然后把量化結(jié)果作為各導(dǎo)聯(lián)間的有向連接關(guān)系，從而建造大腦的因效網(wǎng)絡(luò)。格蘭杰因果性分析［15］（Granger causality analysis， GCA）是其中一種因果分析方法。為分析不同腦區(qū)間的動(dòng)態(tài)信息流向，本研究選用在GCA 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的偏定向相干因果分析方法構(gòu)建因效網(wǎng)絡(luò)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的因效性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，以EEG 信號(hào)為基礎(chǔ)，對(duì)給定長度為N的EEG 時(shí)間序列x（n） ∈RM，利用p階多變量自回歸模型（multivariate autoregressive，MVAR）求系數(shù)矩陣Ar，其具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，w表示白化噪聲矢量，RM表示導(dǎo)聯(lián)數(shù)目為M的EEG 數(shù)據(jù)段。式（1）計(jì)算所得Ar為M×M維系數(shù)矩陣，其具體數(shù)學(xué)表示形式為

式中，r＝1，2，…，p。aij（r） 表示區(qū)域i到區(qū)域j的線性影響。

將Ar轉(zhuǎn)化到頻域：

模型階數(shù)p越大，其描述對(duì)象樣本的能力越強(qiáng)。但是階數(shù)越高，參數(shù)越多，容易造成過擬合的現(xiàn)象。一般由信息量準(zhǔn)則（Akaike's information criteria， AIC）與貝葉斯信息準(zhǔn)則（Bayes information criterion， BIC）綜合確定階數(shù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本利用AIC 準(zhǔn)則獲取MVAR 模型的滯后階數(shù)p，AIC的定義為

式中，L為模型參數(shù)的似然函數(shù)，k表示參數(shù)個(gè)數(shù)。AIC 準(zhǔn)則通過計(jì)算最小AIC 值找到最優(yōu)階數(shù)，本研究計(jì)算獲得階數(shù)p＝9。從區(qū)域j到區(qū)域i的PDC 網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)定義為

式中，Aj（f） （j＝1，2，…，M）為矩陣A（f）的列向量，Aij（f）為矩陣A（f）第i行，第j列的元素。為根據(jù)MAVR 參數(shù)進(jìn)行變換獲得的連接測(cè)度，其具體表示如下：

一般而言，計(jì)算的是某一段頻率下，各個(gè)通道間因果性的平均PDC 值，即：

徐佳琳［16］的研究表明，大腦在進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)想象時(shí)，運(yùn)動(dòng)想象EEG 節(jié)律（mu 節(jié)律）會(huì)在相應(yīng)的腦區(qū)發(fā)生變化，表現(xiàn)出顯著特征。本研究選擇mu 節(jié)律的頻帶特征運(yùn)算。

1.5 閾值選擇

不同的閾值將對(duì)因效性腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響，因此閾值的選擇關(guān)系到腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的好壞。閾值選擇過大有可能遺漏一些重要的連接邊；選擇太小則會(huì)增加不必要的連接邊。由于閾值對(duì)構(gòu)建的腦網(wǎng)絡(luò)有直接影響，因此不管是功能性腦網(wǎng)絡(luò)還是因效性腦網(wǎng)絡(luò)，閾值的選擇都是重點(diǎn)問題。基于腦網(wǎng)絡(luò)的特性，選擇閾值需要遵循以下3個(gè)原則［17-18］：

1）閾值的選擇應(yīng)該盡量使得構(gòu)建的腦網(wǎng)絡(luò)中不存在孤立的節(jié)點(diǎn)，以此來保證腦網(wǎng)絡(luò)的完整性；

2）閾值的選擇應(yīng)該使得腦網(wǎng)絡(luò)具有較高的全局效率和局部效率，保證腦網(wǎng)絡(luò)的小世界特性不被破壞；

3）在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，閾值的選擇應(yīng)該在保證腦網(wǎng)絡(luò)小世界特性的前提下盡量相同，減少閾值差異對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)特征的影響。

本研究設(shè)置閾值步長為0.002，基于上述原則最終選擇的閾值如表1 所示。

表1 不同范式刺激下左、右手運(yùn)動(dòng)想象因效性腦網(wǎng)絡(luò)閾值δ 選取Tab.1 Selection of threshold δ of effective brain networks due to effects of left and right hand motor imagination under different paradigms

確定δ閾值后，對(duì)因效性腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行閾值處理，獲得0-1 關(guān)聯(lián)矩陣，其表示如下：

aij ＝1 表示通道i和通道j之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

1.6 測(cè)度選擇

因效性腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的測(cè)度方法可以得到腦功能網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)。經(jīng)顱直流電刺激前后，在網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)上的異同，可以反映出刺激對(duì)大腦內(nèi)部連通特性的影響［19］。

1.6.1 通道信息流入、流出率

腦功能網(wǎng)絡(luò)的連通增率（connectivity increment rate）是以功能皮質(zhì)區(qū)域?yàn)橹行牡膮^(qū)域特征網(wǎng)絡(luò)，它反映了網(wǎng)絡(luò)位置和連通性的變化，并減少了網(wǎng)絡(luò)信息的丟失［20］。本研究基于因效性腦網(wǎng)絡(luò)和連通增率提出了通道信息流入、流出增率，反映通道信息流向的變化情況，其表示如下：

式中， CI 表示通道i的信息流入率，CO 表示通道i的信息流出率，PDCij表示通道i和通道j間因果性的PDC 值，aij如式8 所示，V表示所選功能腦區(qū)通道的集合。

1.6.2 聚類系數(shù)

聚類系數(shù)是衡量腦功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部集群特性和連接緊密程度的重要參數(shù)，表示網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)的鄰接點(diǎn)又互為鄰居的可能性，聚類系數(shù)越大，腦功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)連接越緊密。如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i的聚類系數(shù)是指與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)中實(shí)際存在的邊數(shù)Ei與鄰居節(jié)點(diǎn)中可能存在的最多邊數(shù)之比，定義為：

式中，Ei為節(jié)點(diǎn)i鄰居間實(shí)際連接的邊數(shù)，ki表示節(jié)點(diǎn)i具有的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)，ki（ki-1）／2 表示在這個(gè)ki鄰節(jié)點(diǎn)之間最多可能有的邊數(shù)。由于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多，因此不去研究網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)，而是分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)，對(duì)無權(quán)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的聚類系數(shù)取平均就可以得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)，定義為

式中，N為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

1.6.3 全局效率

全局效率體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體的信息傳遞能力，是用來描述網(wǎng)絡(luò)整體屬性的，相比于局部效率，全局效率更能夠反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況。全局效率越大，網(wǎng)絡(luò)的連通性也好，各節(jié)點(diǎn)間信息傳輸效率更快，定義為

式中，N為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)，dij表示節(jié)點(diǎn)i與j之間的距離，即連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑的邊數(shù)。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

基于t檢驗(yàn)選擇通道信息流入、流出率，聚類系數(shù)和全局效率等因效性腦網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)，對(duì)被試偽刺激和不同tDCS 實(shí)驗(yàn)范式刺激后進(jìn)行顯著性分析。本研究選用α＝0.05 的統(tǒng)計(jì)顯著水平，通過計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，查相應(yīng)界值表確定P值。若P＞0.05 則稱差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；若P＜0.05，則認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

經(jīng)顱直流電刺激對(duì)運(yùn)動(dòng)想象腦功能網(wǎng)絡(luò)因果效應(yīng)的影響分析時(shí)，采用運(yùn)動(dòng)相關(guān)Fz、FCz、Cz、C1、C2、C3、C4 通道EEG 信號(hào)。

2.1 運(yùn)動(dòng)腦區(qū)通道信息流入、流出率對(duì)比分析

根據(jù)左、右手抓握茶杯的運(yùn)動(dòng)想象，分別選擇與左臂運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的C4 電極和與右臂運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的C3 電極為區(qū)域中心，運(yùn)動(dòng)相關(guān)電極Fz、FCz、Cz、C1、C2、C3、C4 為運(yùn)動(dòng)腦區(qū)通道集合，進(jìn)行通道信息流出、流入率對(duì)比分析，運(yùn)動(dòng)腦區(qū)通道信息流入率、流出率對(duì)比如圖4 所示。圖4（a）結(jié)果顯示，偽刺激和陽極刺激C4 后的運(yùn)動(dòng)腦區(qū)C3 通道信息的流出／流入率分別為0.161±0.009／0.209±0.008，0.189±0.007／0.240±0.016，差異較為顯著（P＜0.05）。陰極刺激C4 后的C3 通道信息流入率為0.170±0.009，與偽刺激相比差異較為顯著（P＝0.018），C3 通道信息的流出率為0.153±0.012，與偽刺激相比差異不大（P＞0.05）。由圖4（b）可知，被試在進(jìn)行左手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，偽刺激和陽極刺激C4 后的運(yùn)動(dòng)腦區(qū)C4 通道信息的流出／流入率分別為0.142±0.014／0.193±0.013，0.223±0.025／0.258±0.023，差異顯著（P＜0.01）。陰極刺激C4后的C4 通道信息流出率為0.109±0.009，與偽刺激相比差異顯著（P＝0.009），C4 通道信息流入率為0.184±0.008，與偽刺激相比差異不大（P＞0.05）。由此可以推斷陽極刺激能提高通道信息交流的頻率，陰極刺激則會(huì)降低對(duì)應(yīng)通道的信息流出，進(jìn)而導(dǎo)致同一功能腦區(qū)中的其他通道的信息流入下降，一定程度上降低了通道間的信息交流頻率。圖4（c）和圖4（d）的結(jié)果與圖4（a）和圖4（b）的結(jié)果趨于一致。

圖4 運(yùn)動(dòng)腦區(qū)通道信息流入、流出率對(duì)比。（a）左手運(yùn)動(dòng)想象C3 通道；（b）左手運(yùn)動(dòng)想象C4 通道；（c）右手運(yùn)動(dòng)想象C3 通道；（d）右手運(yùn)動(dòng)想象C4 通道Fig.4 Comparison of channel information inflow and outflow rates in motor brain regions. （a） Left hand motor imagery C3 channel； （b） Left hand motor imagery C4 channel； （c） Right hand motor imagery C3 channel； （d）Right hand motor imagery C4 channel

2.2 平均聚類系數(shù)對(duì)比分析

圖5 是左、右手運(yùn)動(dòng)想象在不同范式tDCS 刺激后的平均聚類系數(shù)C分析結(jié)果。被試執(zhí)行左手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，陽、陰極刺激C4 后的平均聚類系數(shù)分別為0.817±0.021、0.356±0.037，與偽刺激的平均聚類系數(shù)0.585±0.046 相比，差異均十分顯著（P＜0.01）。而陰、陽極刺激C3 則與偽刺激相比差異不大（P＞0.05），陰、陽極刺激C3 后，被試執(zhí)行右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的結(jié)果與左手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)趨于一致。由此可以看出陽極刺激與想象任務(wù)相關(guān)的功能腦區(qū)能增加不同腦區(qū)之間的緊密程度，陰極則相反。

圖5 左、右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的平均聚類系數(shù)Fig.5 The average clustering coefficient of left and right hand motor imagery tasks

2.3 全局效率對(duì)比分析

左、右手運(yùn)動(dòng)想象在不同范式tDCS 刺激后的全局效率如圖6 所示。從中可以看出被試在執(zhí)行左手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，陽、陰極刺激C4 后的全局效率分別為0.491±0.091、0.252±0.024，與偽刺激后的全局效率0.347±0.031 相比，差異顯著（P＜0.01）。陰、陽極刺激C3 則與偽刺激相比差異不大（P＞0.05）。被試在進(jìn)行右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)時(shí)，陽、陰極刺激C3 后的全局效率分別為0.492±0.025、0.249±0.011，與偽刺激后的全局效率0.359±0.028 相比，差異顯著（P＜0.01），而陰、陽極刺激C4 則與偽刺激相比差異不大（P＞0.05）。由此可以推測(cè)，在刺激與想象任務(wù)相關(guān)功能腦區(qū)時(shí)，tDCS 確實(shí)具有陽極激活而陰極抑制皮層活性的功能。

圖6 左、右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的全局效率Fig.6 Global efficiency of left and right hand motor imagery tasks

3 討論

Allman 等［21］研究發(fā)現(xiàn)tDCS 陽極刺激腦卒中患者健側(cè)的初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)，3 個(gè)月后經(jīng)上肢運(yùn)動(dòng)研究量表和沃爾夫運(yùn)動(dòng)功能測(cè)試得分顯示真刺激組的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)優(yōu)于偽刺激組，MRI 顯示初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)在刺激后顯著激活。Notturno 等［22］研究腦缺血大鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過tDCS 陰極刺激后的大鼠腦梗塞面積小于對(duì)照組，而且記錄到的去極化電位明顯少于對(duì)照組，表明陰極減弱降低神經(jīng)元去極化。Stagg等［23］通過功能性磁共振造影研究發(fā)現(xiàn)，陽極tDCS短期的刺激效應(yīng)顯示，在運(yùn)動(dòng)輔助區(qū)和受刺激的M1區(qū)有明顯的活動(dòng)性提高。Grami 等［24］對(duì)比tDCS 和偽tDCS 刺激下腦功能網(wǎng)絡(luò)連接情況發(fā)現(xiàn)，tDCS 能夠控制運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和心理想象，調(diào)節(jié)遠(yuǎn)端皮層區(qū)域的活動(dòng)。以上證據(jù)提示tDCS 電流影響神經(jīng)元的靜息膜電位，陽極電流促進(jìn)神經(jīng)元電位去極化而陰極引起膜電位超極化改變，增強(qiáng)大腦皮質(zhì)的興奮性或抑制其活動(dòng)。

針對(duì)功能性腦網(wǎng)絡(luò)不能用于描述腦區(qū)間的動(dòng)態(tài)信息流向的問題，本研究基于偏定向相干構(gòu)建了因效性腦網(wǎng)絡(luò)，并在因效性腦網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上結(jié)合連通增率提出了新的特征，功能腦區(qū)通道信息流入、流出率，以此作為局部特征，結(jié)合平均聚類系數(shù)和全局效率等兩個(gè)全局特征，從多個(gè)層面分析tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)想象因效腦網(wǎng)絡(luò)特征的影響，通過4 種tDCS 范式實(shí)驗(yàn)，陽極刺激提升活躍性，陰極刺激抑制活躍性，陽／陰極tDCS 刺激均能提高特征區(qū)分度，且與運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，tDCS 刺激被試運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)功能對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)腦區(qū)時(shí)，陽極刺激會(huì)提高刺激通道的信息流入、流出率，提高平均聚類系數(shù)和全局效率；陰極刺激運(yùn)動(dòng)腦區(qū)，刺激通道的信息流出率下降，平均聚類系數(shù)和全局效率降低。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)被試執(zhí)行左手運(yùn)動(dòng)想象，tDCS 陽／陰極刺激C4 通道對(duì)C4 通道信息流入／流出率的影響效果遠(yuǎn)大于對(duì)C3 通道信息流入／流出率的影響。由此推斷，陽極tDCS 能夠提高刺激腦區(qū)皮層神經(jīng)元的興奮性，運(yùn)動(dòng)想象能激活相關(guān)功能腦區(qū)的神經(jīng)元使其沖動(dòng)并向其他腦區(qū)傳導(dǎo)，若被試tDCS 陽極刺激通道與運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)相關(guān)腦區(qū)通道一致，則能充分激活相關(guān)腦區(qū)皮層的神經(jīng)元，提高皮層活躍性，加強(qiáng)該腦區(qū)與其他腦區(qū)間的信息交流，進(jìn)而使其相關(guān)功能腦區(qū)信息交流更加頻繁。

實(shí)驗(yàn)選擇的被試均為健康的青年，但是對(duì)于年齡不同、身體狀況存在差異的人群，其大腦結(jié)構(gòu)和活躍性不完全一致，因此實(shí)驗(yàn)的結(jié)論存在一定的局限性，無法適用于所有情況。在未來的研究中可以擴(kuò)大被試人群的類別，使研究結(jié)果更具普適性。

通過對(duì)比分析tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)想象因效腦網(wǎng)絡(luò)特征的影響研究，探索特征差異的神經(jīng)生理調(diào)節(jié)機(jī)制，為以后tDCS 對(duì)運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)特征影響的深入研究提供了一定的理論支撐和參考價(jià)值。腦電信號(hào)特征的差異無疑將為提高運(yùn)動(dòng)想象-腦機(jī)接口識(shí)別率創(chuàng)造條件。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)4 種范式刺激和偽刺激模式下，左、右手運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)的因效性腦網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行對(duì)比分析，判斷tDCS 刺激對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的影響，以通道信息流入、流出率作為因效腦功能網(wǎng)絡(luò)的局部特征，以平均聚類系數(shù)和全局效率作為因效腦功能網(wǎng)絡(luò)的全局特征，探索不同tDCS 刺激方式對(duì)運(yùn)動(dòng)想象腦功能網(wǎng)絡(luò)影響的具體機(jī)制。研究結(jié)果表明，陽極tDCS 刺激能有效激活該腦區(qū)皮層的活躍性，使腦區(qū)間信息交流更加頻繁，增加腦網(wǎng)絡(luò)的聚集程度，增強(qiáng)腦網(wǎng)絡(luò)的連通性，提高腦網(wǎng)絡(luò)的全局效率。陰極tDCS 刺激則會(huì)抑制腦區(qū)皮層的活躍性，降低腦區(qū)信息的流出，減少腦網(wǎng)絡(luò)的聚集程度，降低腦網(wǎng)絡(luò)的全局效率。未來的研究希望可以發(fā)現(xiàn)tDCS 刺激是否能對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)想象仍具有顯著的影響效果，同時(shí)將其運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)想象的識(shí)別中是否能對(duì)識(shí)別率產(chǎn)生顯著的提升效果。