磁刺激穴位复杂脑功能网络构建与分析.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．11(2013)118704磁刺激穴位复杂脑功能网络构建与分析木尹宁徐桂芝卞周茜(河北工业大学，电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130)(2012年12月13日收到；2013年1月26日收到修改稿)本文采用互信息方法对磁刺激内关穴过程中的脑电信号进行了两两通道间非线性时域关联特性分析，构建了不同频率刺激前、刺激中、刺激后的脑功能网络，并基于复杂网络理论对脑功能网络的特征进行了深入研究．结果表明，磁刺激频率为3Hz时，大脑功能网络的平均度、平均聚类系数和全局效率与刺激前相比均有

2、显著升高，平均路径长度显著降低，并且相应脑功能网络的、世界”属性有所增强，信息在大脑各区域间的传递更加高效．本研究首次开展了磁刺激穴位复杂脑功能网络的构建与分析，为探索磁刺激穴位对大脑神经调节的作用和机理提供新思路和新方法．关键词：复杂网络，磁刺激，脑功能网络，互信息PACS：87．19．1e，89．75．FbDOI：10．7498／aps．62．118704目前，复杂脑网络可分为反应神经单元解剖性1引言连接的大脑结构网络、描述大脑统计性连接关系的大脑功能网络以及体现大脑信息流向的大脑因自然界有时并非如牛顿所说的喜欢简单化，相效网络．大脑功能网

3、络主要反映空间上分离的不同反，现实世界中的多数系统都是由内部高度非线性神经元、神经元集群或脑区在时间上的相关性以相互作用的动力学系统构成的，具有复杂的相互关及功能活动的统计依赖关系，是描述大脑动态活动系和作用机理．复杂网络模型对实际系统进行了合交互整合的有效手段之一．大脑功能网络的研究与理的抽象与简化，用节点来表示动力学子系统，用功能磁共振成像、脑电图和脑磁图等成像技术密边来表示子系统之间的相互作用，这种近似虽然忽不可分，涉及心理学、认知神经科学、病理学等诸略了子系统自身内部的一些细节，但却能够反映出多领域．Friston[9]于1994年最早

4、开展了基于功能磁子系统之间的许多重要关系[1]_复杂网络模型可以共振成像的脑功能网络研究，并给出了功能连接的用来描述人类社会关系、物种捕食关系、计算机定义．Stam等基于脑磁图研究了阿尔茨海默病网络联接、网络病毒传播、灾害蔓延、温度变化、患者的大脑功能网络，结果发现患者脑功能网络的虚拟社区、交通系统、蛋白质相互作用等[2-8]．复平均最短路径长度比正常人显著增加，“小世界”属杂网络的研究已经引起了统计物理学、计算科学、性有所退化．与功能核磁共振成像和脑磁图相比，生态学、生命科学、社会学、经济学等各个领域的极大研究兴趣，其定性和定量研究成为当今科

5、学脑电图虽然空间分辨率较低且网络节点较少，但因的一大主题．大脑是包含许多不同功能区域的复杂其具有时间分辨率高、实验成本低、易于操作等动力学系统，大脑功能的执行离不开脑区之间的相优点【l1]而被广泛采用．Smit等[12]利用脑电图发互作用和协调．因此，在动力学和复杂网络理论基现脑功能网络具有小世界拓扑结构．Li等【l3】研究础之上，研究跟大脑活动相关的复杂脑网络是极为发现在完成注意任务时，脑功能网络的聚类系数会必要的．高于睁眼无任务状态．Micheloyannis等【14】基于脑国家自然科学基金(批准号：50877023)、高等学校博士学科点专

6、项科研基金(批准号：20121317110002)和河北省自然科学基金(批准号F2012202016)资助的课题．十通讯作者．E—mail：gzxu@hebut．edu．ca④2013中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt：／／wulixb．hy．ac．cnl187O4—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62。No．11(2013)118704电图构建了精神分裂症患者的脑功能网络。发现其程中保持环境安静，室温约为22。C，尽可能避免被在静息状态和工作记忆任务下的局部聚类系数与试和环境受干扰．利用美国NeuroSca

7、n脑电记录分正常人相比都有所下降．Fang等[15J利用脑电图数析系统同步采集了刺激前、1Hz刺激、1Hz刺激据建立了酒精成瘾症患者的脑功能网络，发现其复后、3Hz刺激、3Hz刺激后5种状态下的64导头杂网络特征指数与正常人有明显不同，患者的信息皮脑电信号，采样频率为1000Hz．将磁刺激实验过熵明显小于正常人．程中采集的脑电信号剔除明显漂移的数据、去除穴位刺激可以等效为大脑神经系统的一种外眼电伪迹并进行0．5—40Hz的带通滤波等预处理．部刺激，对研究大脑复杂动力学系统的调控机理有分别截取每个被试刺激前、1Hz刺激、1Hz刺激重要意义，众多学

8、者开展了针刺穴位对大脑功能区后、3Hz刺激、3Hz刺激后几个阶段各50S的脑域的影响以及相关脑功能网络的研究[16,17】，从而电数据，进行下一步复杂