针刺疗法是中医学的重要组成部分，在国际传统医药领域中备受学者关注。研究表明，针刺可通过改变大脑组织形态、调节炎症因子和神经递质水平，治疗卒中后遗症、轻中度抑郁症等神经精神类疾病[1,2,3]。目前针刺产生中枢效应的机制仍不明确，严重制约其理论现代化发展和应用国际化推广。

脑电图技术通过记录脑电信号变化，直接反映头皮神经细胞活动和大脑功能状态，由于其时间分辨率高，信号具有非线性特征，可在毫秒级范围内采集针刺时大脑活动产生的复杂信息，近几年广泛应用于针刺研究领域[4,5]。

曲池为临床常用腧穴，现代医家总结历代文献后发现，无论单穴或配伍均适用于临床各科。曲池善疗脑病，如癫狂痫、头痛、中风等[6]，提示可从大脑调节角度探究针刺曲池在中枢层面产生的治疗效应。然而大部分脑科学相关技术研究多关注针刺对默认脑网络的调节作用[7]，未探究不同脑区在针刺作用下的信息传递特性。

本研究基于脑电图信号，运用脑网络动态分析、功能连接网络复杂网络分析及神经动态低维方法，初步探索健康受试者针刺曲池作用下的脑网络神经动态特征及信息传递特性，以期进一步分析针刺治疗对脑区的调节规律，为今后研究其他单穴或组穴防治疾病的中枢机制提供参考。

1、临床资料

1.1 一般资料

2022年8月25日-11月30日于天津中医药大学第一附属医院、天津中医药大学、天津大学招募健康志愿者30名，其中男16名、女14名，年龄21～29岁，平均年龄（25.03±1.56）岁。本研究遵循赫尔辛基宣言，经天津中医药大学第一附属医院伦理委员会批准（TYLL2022[K]字014），并在中国临床试验注册中心注册（Chi CTR2200062924）。

1.2 纳入标准

(1)身体健康的志愿者，性别不限；(2)年龄20～40岁；(3)自愿参与本试验，签署知情同意书。

1.3 排除标准

(1)有心脑血管疾病及神经系统疾病史；(2)曾经或目前接受针刺治疗；(3)服用镇静、抗癫痫等神经系统药物服用史等；(4)不能接受针灸治疗；(5)正在参与其他临床研究；(6)妊娠、哺乳、月经期。

2、方法

2.1 针刺方法

受试者取坐位，曲池常规消毒。选用华佗牌一次性无菌针具（苏州医疗用品厂有限公司，0.25 mm×40 mm）。医师站立于受试者身后，两手持针，同时直刺双侧曲池，刺入深度20～25 mm。确认受试者有“得气”针感后，根据曲池长于清泻阳明之热的腧穴特性[8]，行捻转泻法60 s，频率60次/min，留针10 min。针刺操作由同一位工作5年的主治医师完成。

2.2 数据采集

采用博睿康64导联设备采集原始脑电图数据。受试者大脑活动由脑电图放大器从64个Ag-Ag-C1头皮电极收集，设备采样率为1 000 Hz，硬件滤波器采样率为0.5～70 Hz。受试者取坐位，头部适当固定，保持放松、静止、闭眼、呼吸平静。室内温度（22±2）℃，试验前关灯，待受试者熟悉环境后再收集数据。分别采集受试者针刺前10 min、针刺中60 s、针刺后10 min的脑电图数据。

2.3 数据预处理

对采集的脑电信号进行预处理。首先使用零相移滤波器将频谱范围限制在1～45 Hz，以滤除50 Hz的工频干扰，保证原始信号的相位信息不变。然后，采用快速独立成分分析（fast ICA）消除眨眼和肌肉运动带来的伪影，通过人工肉眼观察去除难以通过滤波和fast ICA方法滤除的噪声干扰信号，并选择60 s连续数据。再以全脑平均电极作为参考电极，以全脑电极信号的平均值作为脑电信号电势参考电位。最后将信号过滤为5个子频带：delta、theta、alpha、beta和gamma。

2.4 脑网络动态分析

功率谱密度（PSD）分析是频域分析中对脑电信号进行定量分析的一种方法。本研究采用Welch方法计算信号的PSD以测量神经元的振幅，反映皮层锥体细胞的活动情况。采用自回归（AR)Burg方法估计每个通道的绝对PSD。为实现跨频带和不同研究状态功率比较的可行性，将脑电图数据分割为1 s周期，重叠0.5 s，对每个时间窗口进行功率谱分析。在某子频带上，将该频带的所有功率值在当前时间窗区间上平均，得到某时刻的最终功率值。AR方法基于给定信号是输入为白噪声的线性系统的输出理论。其计算公式如下：

式中，p为AR模型的阶数，ka表示AR系数，u(n)为方差σ2的白噪声。p阶数可以用AR参数来表征：

相关性。功能连接网络分析通过计算2个脑区之间瞬时信号相位差分布的不对称性得到相位滞后指数（PLI），反映脑区信号之间的同步振荡程度，表明脑功能区域之间的联系：

式中，Δφ是任意2个脑电导联时序信息在时间tk下的相位差。PLI在0～1之间波动。当PLI为0时，表明2个脑区不存在相位耦合关系，反之表明2个脑区存在相位同步耦合现象，实现信息在脑区之间的相互传递。通过计算各通道各时间点的PLI，得到脑区之间的同步连接强度，并重建脑电图各双通道之间的功能网络。

功能连接网络复杂网络分析是将64个导联所在大脑的不同区域作为节点，将不同区域之间的功能连接作为边，在不同子频带中，采用PLI方法计算大脑不同区域之间的功能连接，重构大脑功能网络，将脑抽象为数学模型。功能网络是大脑真实复杂系统的一种数学表征，可用“图论分析”描述网络。图论参数能很好地描述网络的功能状态，如不同节点之间的信息传递速率、网络中局部区域的集群能力、不同节点在信息交换中的重要性等。在复杂网络动态分析中，采用网络聚类系数、全局效率、局部效率及小世界度等参数对网络动态性能进行衡量。

聚类系数是一种有效分析功能网络离散特性的参数。聚类系数（C）被定义为不同节点之间边连接个数，计算公式如下：

式中，E为节点i的相邻节点之间实际的边数，N为网络内的节点数。

网络的全局效率（Eglobal）可以定义为：

通过计算局部效率来衡量网络的分离特性。网络的局部效率（Elocal）为所有节点局部效率的平均值，计算公式为：

小世界网络（SWN）指数可以定义为：

最终的SWN指数由1 000个随机网络实现的平均值计算得出。与随机网络相比，SWN具有较大的聚类系数和较小的最短路径长度，更有利于节点间的信息传递。以上图论参数可用来反映针刺曲池时脑网络的整合和分离功能。

主成分分析（PCA）是一种常用的线性降维技术。将PCA应用于所有受试者的脑电图。为避免信道高度波动对译码的影响，在应用降维技术之前采用高斯核平滑对脑电信号数据进行预处理。本研究在单个试验基础上进行PCA，以避免平均反应导致的不准确性。PCA的目的是从脑电图数据中提取主成分。从平滑后的脑电图数据中提取所有的主成分，并按照方差解释幅度递减排序。选择前2个主成分解码针刺曲池的脑网络活动。

3、结果

3.1 功率谱分析及时频分析

从功率谱角度，针刺作用下人脑频率主要集中在delta频带（1～3 Hz）与alpha频带（10～15 Hz）。针刺时人脑功率信息增强，见图1、图2。

图1 针刺曲池不同时点脑电图信号功率谱特征

图2 针刺曲池脑电图信号功率值时频分析

针刺前人脑功率信息集中在delta频带和alpha频带。针刺过程中delta频带与alpha频带信息得到增强，而在针刺结束后人脑功率信息会有所下降，但其功率值较针刺前有较大提高。

时频分析表明，针刺作用能够实时调整不同频带信息。alpha频带与人脑认知信息相关，因此从功率谱分析角度能够表明，针刺曲池具有提高人脑认知、调节大脑功能活动的作用。在功率谱分析基础上，将多导脑电图信号功率谱集合为64导地形图，从网络功能上分析针刺曲池作用下大脑各脑区之间的耦合性能变化。

通过比较针刺曲池前后的受试者PSD在大脑不同区域分布，发现人在静息状态下脑功能处于离散活跃状态。大脑脑功能状态PSD值平均分布，没有明显状态特征。针刺曲池后，人脑皮层活动整体PSD得到有效增强，见图3。其中人脑额叶皮层PSD明显加强，且额叶与顶叶之间的交互作用得到提升。不同的是，针刺曲池作用下枕叶功能状态也有所增强。此外，针刺后神经状态有所减弱，但较针刺前功率特性有所提升。

图3 针刺曲池不同时点脑电图信号功率谱集地形图

3.2 动态功能网络及复杂网络参数分析

针刺曲池前，大脑皮层网络功能连接较为稀疏。针刺曲池时，大脑皮层网络功能连接普遍增强。针刺曲池后，大脑皮层网络功能连接值降低，但较针刺前明显增强，见图4。通过针刺不同时点大脑皮层网络功能连接对比，发现针刺曲池具有增强大脑功能连接的特性。

图4 针刺曲池不同时点大脑皮层网络功能连接平均值

进一步将复杂网络参数引入功能连接的连接矩阵，对脑功能进行动态量化分析。针刺曲池过程不同时段大脑动态功能网络参数见图5，其中前10 s为针刺前过程，10～50 s为针刺中过程，50～60 s为针刺后过程。在相同时间窗提取间隔下，脑网络聚类系数、局部效率在针刺中过程较针刺前过程明显提高，表明针刺曲池过程中，脑网络各脑区节点之间的连接程度提升，同时脑网络的可控性增强。进一步研究发现，脑网络全局效率及小世界指数在针刺中过程较针刺前过程明显增强，表明针刺曲池能够有效增强脑区间活动效率、提升神经信息在脑网络中的传递能力。

此外，针刺后脑网络参数变化不明显，表明针刺曲池即刻效应明显，能有效提升脑网络的功能活动状态。

图5 针刺曲池不同时点脑功能网络参数变化

3.3 低维神经动态轨迹分析

降维技术使剥离脑活动噪声、提取脑功能神经动态成为可能。通过PCA对针刺曲池脑电图进行动态分析，在神经状态空间中寻找到一组正交方向的有序集，以减少噪声并压缩神经元状态空间，从而提取针刺曲池前后脑活动的动态特征，分析针刺曲池对脑功能的影响，见图6。

图6 针刺曲池过程脑电图信号低维神经动态轨迹

图中显示2条低维动态轨迹以刻画脑网络活动随时间的演化规律。在针刺前过程中，脑网络呈现出固有的低维动态轨迹，围绕其本身吸引子做有序波动。在针刺中过程，脑网络低维动态轨迹实现了转迁，大脑功能状态发生明显改变，网络吸引子结构相互作用改变，表明针刺曲池具有调节脑功能状态特性的作用，验证了复杂网络参数的变化，即针刺曲池的脑活动即刻效应明显。

4、讨论

既往诠释针刺作用机制的相关研究多从组织形态、血液成分、炎症因子、神经递质等角度出发，缺乏对大脑活动变化的实时模拟，或难以客观揭示中枢层面的针刺效应。近年来，中医领域研究人员基于医工结合模式，应用脑电图技术及相应分析方法直观呈现针刺过程中脑功能的活动变化，为针刺机制研究提供新模式[9]。

神经影像技术研究表明，人脑可被看作一个具有多种网络属性的复杂网络[10]。研究显示，针刺对脑网络的调节效应具有靶向性、条件性和动态性等特征[11]。目前针刺与脑网络的研究尚处于初级阶段，针刺对脑区的调节规律还在探索中。

影响健康人脑电信号的因素较多，冯应琨教授团队发现，20～40岁健康中国人群在清醒状态下脑电活动未见明显差异，是脑电图最为成熟的年龄段[12]。本试验以清醒状态下保持放松的30名20～29岁健康志愿者为研究对象，并确保试验环境安静，脑电图数据预处理采用fast ICA方法消除伪迹，人工肉眼观察去除难以滤除的噪声干扰信号，最大程度减少干扰。同时，应用脑网络动态分析、功能连接网络复杂网络分析和神经动态低维方法探究针刺曲池作用下的脑网络。相较于单纯的脑网络分析方法，将脑网络动态分析与复杂网络分析方法结合，重点研究针刺作用下不同脑区间的信息传递特性，探究不同时间尺度下动态脑网络特征，寻找最适合的神经网络分析法。

随着复杂网络技术的发展，许多研究将复杂网络分析方法应用于人类大脑的功能分析。功能连接将大脑抽象为一个数学模型，可进一步分析大脑功能状态。同时，人类认知过程是动态过程，认知功能的实现是大脑无数个神经元共同协作的结果，因此同步功能连接可能是一种分析针刺对大脑功能网络认知变化的适宜方法。既往研究表明，PLI是有效的脑网络动态分析方法[13]，因此，本研究采用PLI作为大脑不同区域的功能连接衡量值。

功率谱分析显示，针刺曲池作用下人脑频率信息增强，主要集中在delta频带与alpha频带，将多导脑电图信号功率谱集合为64导地形图，发现针刺可增强人脑皮层活动整体PSD值，表明在这些区域具有更加强烈的神经元振荡活动，针刺曲池能够提高大脑的联通性能，增强额叶、顶叶及颞叶之间的信息沟通，具有调节脑网络活动的功效；时频信号分析表明，针刺能够实时调整不同频带信息；动态功能网络分析提示，针刺曲池后大脑皮层网络功能连接值普遍增强；复杂网络参数分析表明，脑网络聚类系数、局部效率在针刺中过程较针刺前过程明显提高；低维神经动态轨迹分析显示，针刺时脑网络低维动态轨迹实现转迁，大脑功能状态发生明显改变，网络吸引子结构也出现变化。本研究从大脑层面揭示针刺的作用原理，表明针刺曲池即刻效应明显，具有增强脑功能连接、调节大脑功能活动的作用，能够提高大脑的联通性能，增强额叶、顶叶及颞叶的信息沟通，具有调节脑网络活动和脑功能状态特性的功效。

本研究重在探索脑电图技术及其分析方法在解码针刺作用机制中的适用性，尚存在一些不足与局限性：(1)缺乏针刺其他腧穴如手三里、外关、合谷，或不同手法操作时的脑电活动变化的参照；(2)以健康人群作为研究对象解释针刺曲池作用下的脑网络神经动态特征及信息传递特性，而疾病状态下的针刺效应尚需进一步探索。本研究脑网络动态分析、功能连接网络复杂网络分析及神经动态低维分析等方法拓展了针刺与脑网络的研究深度，可为探究针刺对脑区的调节规律提供帮助，也为脑科学技术在针刺研究中的应用提供参考。

参考文献:

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[8]王舢泽,曾炜美,程璐,等.基于腧穴主治特点与病机的契合性再论曲池治疗变应性疾病[J].中国针灸,2021,41(1):81-84,102.

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[11]谢坤男,尹涛,马培宏,等.基于脑连接组学的针刺网络调节效应特征述评[J].针刺研究,2021,46(6):510-514.

[12]吴逊.北京地区2357名健康人脑电图分析报告[J].癫痫杂志,2019,5(4):257-262.

基金资助:国家中医药管理局全国中医临床特色技术传承骨干人才培训项目(498022-3); 国家自然科学基金面上项目(62071324); 天津市研究生科研创新项目(2021YJSB188);

文章来源:吴林纳,李凯,宋蕊好等.基于脑电图技术探讨曲池针刺作用下的脑网络神经动态特征[J].中国中医药信息杂志,2023,30(12):153-158.