NeuroImage：经颅直流电刺激（tDCS）如何影响脑功能连接？

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经颅直流电刺激（tDCS）是一种无创的非侵入式神经调控技术，其可以通过微弱的直流电调控皮层神经元的兴奋性。大量的动物和人体实验已经表明tDCS可以引起极性特定的效应而且这种效应并不仅仅局限于刺激位点，这种效应的潜在神经机制可能是突触强度和连接的变化从而引起神经元兴奋性的变化，最终导致特定网络功能的变化。但是，目前仍旧不清楚tDCS会如何影响不同脑区之间的功能连接以及脑功能网络的拓扑参数。来自意大利研究团队曾在NeuroImage杂志发表题目为《Assessing cortical synchronization during transcranial direct current stimulation: A graph-theoretical analysis》的研究论文，对上述问题进行了系统研究。本文对该篇文章进行解读，希望对大家有帮助。

研究方法与数据处理 1.实验设计：募集12位健康被试，按照如图1所示的实验设计采集EEG信号，每位被试进行如图1所示的3种刺激实验，即阳极tDCS刺激、阴极tDCS刺激和虚假tDCS刺激；每种刺激持续总时间7min，其中前3min属于Baseline，即只记录EEG不施加刺激，后4min施加tDCS的同时采集EEG；每种刺激之间被15min的休息隔开；对于每个被试，3种刺激的顺序随机安排。 2.EEG的采集：EEG信号的采集采用10-20国际导联的19个通道电极（Afz, F7, F3, F4, F8, FC5, FC1, FC2, FC6, T7, C3, C4, T8, P7, P3, P4, P8,O1, O2）；同时记录水平和垂直眼电；数据采集时采样频率5kHz，电极电阻低于5kΩ。

图1

3.tDCS：tDCS采用电池供电的直流电刺激器，电流强度0.6mA，刺激电极面积9平方厘米，放置于FC3电极位置（10-20国际导联），刺激电极的参考电极放置于右侧眉毛上方，面积为30平方厘米。 4.EEG数据预处理：EEG信号的预处理采用EEGLAB工具包。首先，数据重参考到乳突；然后，采用2-48Hz进行带通滤波，并且降采样到250Hz；对于tDCS刺激期间采集的EEG信号，开始和结束的一段数据去除；接着，独立成分分析ICA用于去除眼电干扰信号；然后，EEG数据分割成2s的数据，并进行基线校正，带有严重漂移和肌电信号干扰的数据片段被去除；最后，数据被分解成四个频段，即theta、alpha、beta和gamma。 5.脑网络分析：采用同步似然指数（Synchronization likelihood，SL）来计算两两通道之间的功能连接强度，从而构建19*19的脑功能连接矩阵。对于得到的每个频段的脑功能连接，3种刺激期间（阳极tDCS刺激、阴极tDCS刺激、虚假tDCS刺激）和基线baseline期间的脑功能连接比较采用network-based statistics（NBS）方法进行分析；基线和tDCS刺激后的脑功能连接比较，阳极和阴极刺激的脑功能连接的比较，也采用NBS方法。 进一步的分析采用图论的方法，计算脑功能网络的全局参数和局部参数。全局参数包括特征路径长度、聚类系数、小世界系数；局部参数包括节点度、中介中心性、局部效率。 研究结果 1.被试没有报告在tDCS施加期间有副作用；也没有被试可以分辨出他们接受的是真实刺激还是伪刺激。 2.图2所示为3种tDCS刺激（阳极、阴极和伪刺激）、基线情况下，theta和alpha频段下所有被试的平均SL功能连接矩阵。

图2

1. 采用NBS方法，3种刺激期间（阳极、阴极和虚假tDCS刺激）和基线的脑功能连接比较结果如图3所示。结果表明，与基线脑功能连接相比，阳极tDCS调控可以降低左半球额叶和中间相关脑区之间的功能连接（FC5-F7, FC5-AFz, FC5-F3，FC5-C3），其他频段未发现显著变化的功能连接。对于阴极tDCS调控，其可以增强alpha频段两个半球之间的中部-顶叶、中部-枕叶、顶叶-枕叶之间的功能连接（C3-P8, C3-O1, O1-P4，O1-O2）。而对于伪tDCS刺激，其仅影响γ频段，具体来说，其会降低FC1-P7, FC2-P7,C4-P7, P7-P4, P7-P8, FC2-C4,FC2-T8, C4-P4, C4-P3, C3-C4 和 FC1-C4之间的功能连接。 此外，同样采用NBS方法，比较阳极和阴极tDCS刺激的功能连接，发现alpha频段额叶-枕叶、顶叶-枕叶脑区之间功能连接出现显著变化。而基线和tDCS刺激后的功能连接的NBS研究表明，在任何频段和条件下都未发现显著变化的功能连接。

图3（蓝色表示相对基线减小，红色表示相对基线增加）

4.采用图论的分析方法，脑网络的全局参数（特征路径长度、聚类系数和小世界系数）在基线和3种tDCS刺激之间，以及3种刺激之间都不存在显著差异；对于局部参数，仅发现在theta频段，阴极tDCS刺激和基线脑网络之间的C4电极处的节点度存在显著差异（p = 0.0011, FDR校正），如图4所示。

图4

总结

文章证明了tDCS在多个方面具有巨大的应用潜力：可以逆转老年人衰退的工作记忆能力、增强情景记忆能力、促进口吃者的语言流利性、调控人的创造性。可见，tDCS在提高正常人和改善患者的认知功能方面具有巨大的潜力。尽管如此，tDCS的神经机制似乎目前并不明确。本文分享的这项研究论文，聚焦于tDCS的作用机制，主要从脑功能连接的角度对这个问题展开研究，并有一些新的发现。

参考文献： Mancini M , Brignani D ,Conforto S , et al. Assessing cortical synchronization during transcranialdirect current stimulation: A graph-theoretical analysis[J]. NeuroImage,2016:S1053811916302075.