1、Research Papers研究报告生物化学与生物物理进展Progress in Biochemistry and Biophysics2023，50（3）：经颅磁刺激对强直迟缓亚型帕金森病患者脑功能网络的影响*李佳丽1，2）尹宁1，2）姚尧3）冯珂珂3）李润泽1，2）刘硕1，2）尹绍雅3）*徐桂芝1，2）*（1）河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；2）河北工业大学河北省生物电磁与神经工程重点实验室，天津 300130；3）天津市环湖医院神经外科，天津 300350）摘要 目的重复经颅磁刺激（rTMS）作为一种无创的神经调控技术，对帕金森病（PD）患
2、者的疗效目前尚未完全明确。本文结合临床量表评估、脑电溯源以及脑功能网络以探讨高频rTMS对强直迟缓亚型帕金森病（AR-PD）患者的作用效应。方法共纳入18例AR-PD患者，利用标准低分辨率电磁断层成像（sLORETA）对脑电信号进行溯源分析，进而通过复杂网络理论构建脑功能网络，从脑区之间协同工作的角度对比分析网络拓扑特征。结果磁刺激后前额叶、初级运动皮层出现显著性差异（P0.05）；与运动感觉产生、运动规划和运动执行相关脑区的网络连通性显著增强（P0.05）且脑功能网络的拓扑特征平均聚类系数的变化与帕金森病统一评定量表评分的变化存在显著相关性（P0.05），受试者均签署了知情同意书，本实验已由
3、河北工业大学生物医学伦理委员会审查通过（审查编号：HEBUThMEC2020016）。1.2TMS刺激方案选用英国Magstim公司研制生产的Rapid2经颅磁刺激仪，根据相关文献19-21，刺激靶区选择M1，刺激模式选择 rTMS，刺激频率选择高频 10 Hz，每次刺激治疗依次在左右侧大脑M1区域各发送30组脉冲，每组40个，组间间隔为26 s，刺激强度为患者静息态运动阈值（resting motor thresholds，rMT）的90%，该刺激方案被认为对伴有运动障碍的PD患者有一定的治疗效果。刺激前测定每位患者的rMT，在初级运动皮层区域“8”字形线圈与头皮相切，并与大脑纵裂呈45，1
4、0次单脉冲输出至少存在5次运动诱发电位的幅值大于等于 50 V，以单脉冲输出的最小值作为患者的rMT。按照所选定的刺激参数对患者进行为期10 d的rTMS刺激。TMS的实验流程如图1所示。Fig.1Flowchart of transcranial magnetic stimulation李佳丽，等：经颅磁刺激对强直迟缓亚型帕金森病患者脑功能网络的影响2023；50（3）587 1.3数据采集选用博睿康公司的脑电采集设备，采样频率为1 000 Hz。无线电极帽共32通道，按照10-20国际标准导联分布 22。在rTMS刺激前，于安静环境下采集患者5 min闭眼的脑电数据，10 d rTMS治疗
5、结束后再间隔24 h，在相同的环境下采集患者 5 min闭眼的脑电数据。1.4量表评估UPDRS是目前应用广泛的PD临床评分量表，它提供了一种全面、有效和灵活的手段来监测与PD有关的残疾和损害。UPDRS分为I、II、III、IV四部分，其中 UPDRS-II 共 13 个条目，每条 04分，UPDRS-III 共 27 个 条 目，每 条 04 分，UPDRS-IV共11个条目，第32、33、34、39条为每条04分，其余条目每条02分。分值与PD患者症状严重程度成正相关23。UPDRS-II评估患者日常生活活动，UPDRS-III评估患者的运动检查，UPDRS-II和UPDRS-III涵盖
6、了患者对运动功能的感知和客观检查，UPDRS-IV评估患者的治疗并发症，在本项研究中由临床医生和研究人员使用UPDRS评分量表对AR-PD患者第1天未进行刺激前和第10天刺激完全结束后进行临床评估。2脑电溯源与脑功能网络分析2.1标准低分辨率电磁断层成像（sLORETA）算法使用MNI152模板在真实的头部模型中进行计算，三维解空间局限于皮质灰质。脑内体积以 5 mm空间分辨率划分为6 239体素。在Brodmann区域的解剖标记采用了从MNI到Talairach空间的适 当 校 正。sLORETA 图 像 表 示 神 经 解 剖 学Talairach空间中每个体素的电活动以估计电流密度的平方
7、标准化幅度24。头皮电极信号与大脑皮层电流密度源信号之间的关系可以表示为：=KJ（1）其中为采集到的头皮电极信号，K 为 mn（mn）维前向模型系数，J为nl维大脑皮层电流密度源信号。利用阶数为零的Tikhonov-Philips正则化方法求得唯一解，正则化方法中的代价函数可表示为25：Q=f-KJ2+J2（2）其中（0）为正则化参数，Q为预测值。利用最小代价方程，即可求得J的解，有：J?=V（3）V=KTKKT+H+（4）H=E-IITITI（5）其中，E为单位矩阵，I为单位向量。2.2脑功能网络构建在脑功能网络中，节点代表一系列可以相互连接的网络位置。节点的数量以及节点之间连接的存在性和强
8、度构成了网络的基本组成部分。将脑区定义为节点，将两个脑区之间的同步定义为脑区之间的连接，并量化它们彼此之间以及网络各个部分之间的联系26。根据Brodmann分区系统共选取82个脑区（Brodmann area，BA）作为网络节点，通过sLORETA计算得到的电流密度数据用皮尔逊相关系数计算得相关系数矩阵，皮尔逊相关系数RXY的定义式可表示为：RXY=ni=1,j=1nxiyj-i=1nxij=1nyjni=1nxi-()i=1nxi2nj=1nyj-()j=1nyj2（6）其中，n为样本容量，xi、yj为单个离散样本点。将计算得到的18个PD患者的电流密度相关系数矩阵纵向堆叠，并进行Fish
9、er-Z变换提高其正态性。利用单侧单样本t检验对数据进行统计检验，并在多次假设检验后进行FDR校正27，阈值的选择满足网络的平均度大于等于节点数自然对数的两倍28。相关系数均值大于阈值表明两个脑区之间有相关性用1表示，相关系数均值小于阈值表明两个脑区之间不具备相关性则用0表示，进而得到一个可以表征脑区之间相关性的二值矩阵，根据所选节点和计算得二值矩阵构建可视化的脑功能网络。2.3脑功能网络特征局部特征和全局特征可以对脑功能网络进行描述，局部特征用于分析网络的单个节点或单个脑区，全局特征用于分析网络中全部节点或全部脑区的拓扑结构29。最常用的局部特征是节点度（node degree，K），其定义
10、为与该节点直接相连的节点的个数30，节点度的定义式可表示为：Ki=j=1Nhij（7）其中，N为网络节点数；hij为邻接矩阵中的元素。节点聚类系数（clustering coefficient，C）表示与节点相连的其他节点之间相互连接的可能性31，节点聚类系数的定义式可表示为：588 2023；50（3）生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.Ci=WiMi=2EiKi(Ki-1)（8）其中，Wi为与节点i相连的Ki个节点间的实际连接边数，Mi为Ki个节点间可能存在的最大连接边数。分析脑功能网络的常用的全局特征为平均度、平均聚类系数、特征路径长度。平均度为复杂网络中所
11、有节点度的平均值；平均聚类系数为复杂网络中所有聚类系数的平均值；特征路径长度为复杂网络中所有节点对最短路径长度的平均值32，特征路径长度（characteristic path length，L）的定义式可表示为：L=1N(N-1)i jdij（9）其中，N表示节点个数，dij表示节点i与节点j的最短路径长度。2.4统计分析本研究对刺激前后临床量表评估结果和网络特征参数结果做配对t检验分析；对刺激前后溯源结果利用非参数映射的体素随机检验（5 000次置换）分析，对8个频带用对数化的F-ratio统计量进行独立检验来比较不同脑区的激活差异性33，通过多次比较来校正显著性水平，其中P0.05表示刺
12、激前后组间结果具有显著性差异。3结果3.1临床量表分析结果rTMS刺激前后AR-PD患者的临床量表评分如表 1 所示，相比于刺激前 AR-PD 患者刺激后的UPDRS、UPDRS-II、UPDRS-III 评分结果均显著降低（P0.05），表明rTMS刺激后AR-PD患者运动功能得到相应的改善且未产生治疗并发症。3.2脑电溯源分析结果本研究从脑电溯源的角度统计分析了AR-PD患者rTMS刺激前和刺激后两种状态下在（0.54 Hz）、（48 Hz）、1（810 Hz）、2（1013 Hz）、1（1318 Hz）、2（1821 Hz）、3（2130 Hz）以及（3035 Hz）8个频段下大脑皮层活
13、动存在显著性差异（P0.05）的脑区（表2），其中亮黄色区域表示AR-PD患者刺激前电流密度大于刺激后、亮蓝色表示AR-PD患者刺激前电流密度小于刺激后。结果显示，AR-PD患者刺激前后在频段存在显著性差异的脑区位于顶叶的缘上回（BA40），频段存在显著性差异的脑区位于额叶的额上回（BA10），1频段存在显著性差异的脑区位于额叶的额中回（BA10），2频段存在显著性差异的脑区位于额叶的额内侧回（BA10），1频段存在显著性差异的脑区位于额叶的额中回（BA11），2频段存在显著性差异的脑区位于额叶的额下回（BA11），3频段存在显著性差异的脑区位于额叶的中央前回（BA4），频段存在显著性差异的脑
14、区位于额叶的额内侧回（BA10）。3.3脑功能网络分析结果选取82个脑区作为网络节点，利用皮尔逊算法计算节点间的相关系数矩阵，通过设定阈值为0.76得到AR-PD患者刺激前和刺激后的二值矩阵（图2）。根据二值矩阵在对应节点间建立连接边，从而构建了AR-PD患者刺激前和刺激后的脑功能网络（图 3）。结果显示，与刺激前相比，右侧BA9和右侧BA10、左侧BA8和左侧BA46、左侧BA6和右侧BA6、右侧BA5和右侧BA6之间的功能连接在刺激后连通性显著增强（P0.05）。通过进一步对脑功能网络的全局特征进行分析，得到了AR-PD患者刺激前与刺激后脑功能网络平均度、平均聚类系数以及特征路径长度的对比
15、结果。从图4a可以看出，AR-PD患者刺激后脑功能网络的平均度增大（t=2.342，P=0.032），说明脑功能网络的节点密度优于刺激前。18例AR-PD患者刺激后脑功能网络的平均聚类系数增大（t=2.691，Table 1UPDRS scores of PD patients pre-and post-rTMSUPDRSUPDRS-IIUPDRS-IIIUPDRS-IVpre-rTMS46.2716.2414.935.8022.9310.344.331.40post-rTMS39.4715.0312.205.7620.0710.024.201.74t-value4.4053.9043.592
16、0.435P0.0010.0020.0030.670李佳丽，等：经颅磁刺激对强直迟缓亚型帕金森病患者脑功能网络的影响2023；50（3）589 Fig.2Binary matrices of AR-PD patients pre-and post-rTMS(a)pre-rTMS;(b)post-rTMS.Table 2Results of significant difference of EEG tracing pre-and post-rTMS at different frequency bandsFrequency band12123Brodmann areaBA40BA10BA10BA10BA11BA11BA4BA10LobeParietal lobeFrontal lobeFrontal lobeFrontal lobeFrontal lobeFrontal lobeFrontal lobeFrontal lobeTransverse planeSagittal planeCoronal plane 590 2023；50（3）生物化学与生物物理进展 Prog.Bioche
