经颅直流电刺激对人体平衡脑网络特征的影响研究.pdf

2023年8 月Chinese Journal of Biomedical EngineeringAugust2023中国42卷4期医生No.4Vol.42报程物学学经颅直流电刺激对人体平衡脑网络特征的影响研究蔡宏伟1罗志增1#*史红斐？1（杭州电子科技大学智能控制与机器人实验室，杭州310018)2（浙江大学医学院附属第四医院，杭州322000)摘要：经颅电刺激作为一种具有广泛应用潜力的神经调控技术，在人体平衡的研究方面仅停留在外在表现上，对人体平衡的神经调节影响机制尚不明确。脑功能网络是理解大脑功能和调节机制的有效手段，本研究提出经颅电刺激的人体平衡脑网络特征研究方法。招募2 4位被试在初级运动皮层施加伪/阳极/阴极经颅直流电刺激（t D CS），采集闭眼站立足底压力中心（COP）和脑电数据，对比分析COP特征和脑网络平均度、聚类系数、路径长度和全局效率等网络特征。结果表明，阳极tDCS致人体晃动频率变低，伪tDCS和阳极tDCS后的平均度、聚类系数、路径长度和全局效率分别为6.111.2 1、0.510.0 7、1.8 50.16、0.6 40.0 5和7.46 1.0 5、0.6 10.0 6、1.6 6 0.14、0.690.04,均存在显著性差异（P0.05）；阴极tDCS致晃动频率变高，平均度、聚类系数、路径长度和全局效率分别为5.511.33、0.430.0 7、1.9 50.16 和0.6 2 0.0 4，与伪tDCS后相比差异显著（P0.05）。研究表明，阳极tDCS有效激活运动皮层活性，增强全脑网络区间联系，提升了人体平衡能力；而阴极tDCS抑制了运动皮层活性，人体平衡能力趋弱。关键词：经颅直流电刺激；平衡；脑网络中图分类号：R318文献标志码：A文章编号：0 2 58-8 0 2 1（2 0 2 3）0 4-0 39 4-0 9Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Features ofHuman Balance Brain NetworkLuo Zhizeng1#*Cai HongweilShi Hongfei?(Institute Intelligent Control and Robotics,School of Automation,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)2(The Fourth Afiliated Hospital Zhejiang University School of Medicine,Jinhua 322000,Zhejiang,China)Abstract:Transcranial electrical stimulation is a neuromodulation technology with wide application potential,which still remains on the external manifestation in the research of human balance,and mechanisms of influenceon the neuromodulation of human balance have not been clear yet.Brain functional network is an effectivemeans to understand brain function and regulation mechanism.In this work,a method to study the features ofhuman balanced brain network by transcranial electrical stimulation was proposed.There were 24 subjectsrecruited to apply sham/anodal/cathodal transcranial direct current stimulation(tDCS)in the primary motorcortex,and the planar center of pressure(COP)and EEG data were collected while standing with eyes closed,and the features of COP and the features of network including average degree,clustering coefficient,path lengthand global efficiency were compared and analyzed.Experimental results showed that anodal tDCS reducedhuman shaking frequency.The average degree,clustering coefficient,path length and global efficiency aftersham tDCS and anodal tDCS were 6.111.21 and 0.51 0.07,1.850.16 and 0.640.05,7.461.05,0.610.06,1.660.14,0.690.04,respectively.There were significant differences in all groups(PO.05).The shaking frequency was increased by cathodal tDCS,and the average degree,clustering coefficient,doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2023.04.002收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 9，录用日期：2 0 2 3-0 1-15基金项目：国家自然科学基金（6 2 17 117 1）；浙江省教育厅科研项目（Y202146756）#中国生物医学工程学会会员（Member，Ch i n e s e So c i e t y o f Bi o me d i c a l En g i n e e r i n g）*通信作者（Correspondingauthor），E-ma i l:l u o h d u.e d u.c n395蔡宏伟，等：经颅直流电刺激对人体平衡脑网络特征的影响研究4期path length and global efficiency were 5.511.33,0.430.07,1.950.16 and 0.620.04,respectively,which were significantly different from those after sham tDCS(P0.05).These results showed that anodaltDCS effectively activated the activity of motor cortex,enhanced the inter-interval connection of the whole brainnetwork,and improved the balance ability of the human;while cathodal tDCS inhibited the activity of the motorcortex,and the balance ability of the human was weakened.Key words:transcranial direct current stimulation;balance;brain network引言经直流电刺激（transcranialdirectcurrentstimulation，t D CS）是一种非侵人性的技术，利用恒定、低强度直流电（1 2 mA）调节大脑皮层神经元活动1，目前在临床医学中被证明对帕金森、癫痫、脑卒中等都是有效的2。tDCS通过电极经过头皮向颅内特定区域输人电流，根据刺激的极性影响神经元冲动发放的阈值，从而改变细胞的兴奋性，并由此可使神经元的功能组合发生改变或出现可塑性变化,研究者据此来治疗神经性疾病或者研究大脑的功能变化。文献研究揭示,tDCS引起的皮质兴奋性增加或降低的后效应持续时间，与神经元静息膜电位阈下调节所诱导的N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid,NMDA）受体的极性依赖性修饰有关3。极性驱动的静息膜电位改变是tDCS后延效应最重要的机制，导致神经细胞自发放电频率和NMDA受体激活的改变，对NMDA受体长时程增强或抑制的介导会使突触水平的连接得到持久的促进或抑制作用，形成突轴重塑及重塑不可逆的长时效应，由此发生神经可塑性4。tDCS具有无创、安全、易操作等特点，可促进脑功能连接改变或功能性重组，实现神经调节机制的可塑性变化5。平衡是身体所处的一种姿态，以及在运动或受到外力作用时能够自动调整并维持姿势的能力。前者属于静态平衡，后者属于动态平衡。神经生理学研究表明，人体平衡主要受视觉、本体感觉、前庭觉等三大感觉信息的影响6。平衡调节涉及多级神经中枢，包括脊髓、脑干中的前庭中枢、内侧纵束、脑干网状结构、小脑及大脑皮层的感觉运动功能区等。初级运动皮层（M1）是参与躯体运动最重要的脑区之一，在2 0 0 0 年，M1就被作为目标脑区进行经颅直流电刺激。之后，学者们开始研究tDCS刺激M1后对下肢运动功能的影响，如改善康复患者的步态模式、平衡控制等。2 0 13年，Sohn等7 的研究表明，阳极tDCS刺激M1后睁眼和闭眼的整体稳定性指数有显著改善（P0.05）；2 0 2 0 年，肖松林等8 采用阳极tDCS刺激受试者的M1区域，研究显示刺激后受试者闭眼单足站立的重心左右、前后平均摆动速度显著下降（P0.05）。虽然多数研究表明tDCS刺激M1、小脑、背外侧前额叶皮层等脑区能改善平衡，但也有少数学者的研究显示了与前述研究相佐的结论9,因此tDCS对人体平衡能力影响的研究尚需进一步深人，尤其需要研究tDCS对中枢神经和感觉运动皮层的影响。人体维持平衡涉及多种外部信息输入和多个脑区协调运作，这些外部信息的获取与人体的各种感觉器官密切相关，任何环节的缺失或错误都可能导致失衡。人体平衡机制交互复杂，评价手段也理应多样化，但传统的研究大多仅通过反映人体重心变化的压力中心（center of pressure，CO P）轨迹和外在的身体姿态变化定性描述来分析tDCS对静态平衡的影响，尽管有一定实用性，尚难以精确地反映人体运动控制中枢神经系统的真实状态。Slobounov等10 研究检测到在姿态调整动作发生前出现的脑电信号（electroencephalogram，EEG）运动相关皮层电位成分，使EEG成为平衡能力分析的有力依据。大脑在人体平衡过程中是以多脑区协同的形式完成的,EEG的脑功能网络分析成为非常有效的手段。本研究从中枢调节角度分析人体平衡，在结合图论基础上利用EEG构建脑功能网络，研究不同脑区之间的功能协同模式。通过比对不同实验范式tDCS刺激脑网络特征参数，分析人体平衡能力的变化，且与传统COP特征比对佐证，有助于探索tDCS对静态平衡控制的神经影响机制。1材料和方法1.1实验对象24名健康志愿者作为被试，男18 名，女6 名，本实验无性别差异性，年龄为（2 46）岁，均为右利手，视力正常，近半年内无下肢运动损伤，无神经系统疾病史。在实验开始前受试者均未摄人影响中枢神经的药物与食物。所有被试已被告知实验具体流程以及潜在风险，并签署了知情同意书。396中生国医42卷程学物报学1.2设备参数及范式设计实验采用高精度经颅电刺激仪（Starstim8，Neuroelectrics公司，西班牙）进行刺激，同时使用博睿康公司的脑电采集仪NSW364，博睿康科技（常州）股份有限公司，中国进行多通道EEG信号采集。根据Palazzo等6 的研究，与平衡调节密切相关的是枕叶区、中央区和额叶区，分别对应视觉感受区、运动感觉区和协同整合区。脑电信号电极按照国际标准导联10-2 0 系统放置，A1、A 2 为参考电极，实际数据采集通道为FP1、FP2、Fz、F3、F4、F7、F8；Cz、C3、C4、T 7、T 8;Pz、P3、P4、P7、P8、0 1、0 2,共19个。VEOU和VEOL、H EO R 和HEOL分别用来记录水平眼电和垂直眼电，参考电极模式为（A1+A2）/2，EEG信号的采样频率设为10 0 0 Hz，使阻抗值小于10kQ，电极放置位置如图1所示。本研究使用3种实验范式，如表1所示。将刺激的目标区域定为初级运动皮层，刺激方式分为伪刺激（对照作用）、阳极刺激和阴极刺激。伪刺激仅起安慰作用，阳极刺激时将阳极置于C3点，阴极置于对侧眼眶上侧FP2；阴极刺激时则将电极按相反位置放置。伪刺激则仅在开始和结束有电流通过，如图2（a）所示。阳/阴极刺激的模式如图2（b)所示，采用2 mA电流刺激2 0 min，在开始和结束分别施加30 s的淡人淡出电流。刺激过程中，若受试者感到刺激引起的任何不舒服感觉时，应立即停止刺激。VEOU(VEOL额叶区Fp1Fp2HEOL)HEORF7F3FzF4F8中央区AiT7C3CzC4T8A2P3PzP4P7P&01枕叶区02图1电极位置分布Fig.1Distribution of electrode position表1范式要求Tab.1Requirements of paradigm范式任务P1伪刺激+闭眼站立P2阳极刺激+闭眼站立P3阴极刺激+闭眼站立2Vu/l/00.512020.521t/min(a)2VU/I11100.520.521t/min(b)图2刺激模式。（a）伪刺激；（b）阳/阴极刺激Fig.2Stimulation patterns.(a)Sham stimulation;(b)Anodal/cathodal stimulation刺激结束后3min内，被试以双足平行分开10cm站在测力板的指定位置上且不移动，闭上眼睛以阻断视觉，身体直立手臂自然垂放在身体两侧如图3所示，完成COP和EEG采集。采集过程中受试者尽量维持平衡姿势。传统实验一般采集0.5min左右的数据7,11本实验对象均为年轻人，为充分展示人体平衡效果，每人每次采集2 min的COP数据和EEG数据，采样频率为10 0 0 Hz，重复5次。为避免疲劳，受试者每次采集数据后休息3min。2 4名实验被试被随机分成3组，8 人/组，每组分3次隔2 d完成下一种实验范式，即，第1d实验完成第1组伪刺激实验，第2 d完成第2 组阳极刺激实验，第3d完成第3组阴极刺激实验；第4d完成第1组阳极刺激实验，以此类推，轮流完成所有被试3种实验范式，且确保每种刺激至少间隔2 d后进行下一种刺激试验，尽量减少一种刺激效果对另一种刺激效果的影响7.12 。图3人体静态平衡检测采集Fig.3Detection and acquisition of human static balance397蔡宏伟，等经颅直流电刺激对人体平衡脑网络特征的影响研究4期1.3平衡控制相关脑区和经颅直流电刺激皮层选择神经生理及影像学研究发现，位于中央前回的初级运动皮层、位于枕叶的视觉皮层、小脑前叶和后叶、额叶、基底节（尤其是壳核）和脑干等参与人体平衡控制13。Demain 等14发现初级运动皮层是额叶皮质-基底神经节网络的一部分，还整合了运动执行过程中的前庭、体感和视觉信息，在姿势控制中具有重要作用。文献15研究显示，在M1施加阳极tDCS增强了皮质脊髓和脊髓网络的活动，这可能会影响平衡相关反射。文献16 研究显示姿势摆动受腿部肌肉控制影响，阳极tDCS初级运动皮层能影响人体的本体感觉，从而推测能够通过刺激C3影响平衡能力。因此，本研究选择经颅直流电刺激位于初级运动皮层的C3区域。1.4COP特征参数传统的人体平衡能力的研究通常分析COP特征，一般将COP轨迹转换为常用的重心移动轨迹长（L e n g t h）和包络面积（Area）等特征参数来描述静态平衡能力。1.4.1重心移动轨迹长重心移动轨迹长是测力板上COP坐标在单位时间内移动的长度，反映了身体重心移动的幅度和频度，COP移动轨迹如图4所示，重心移动轨迹长即蓝色轨迹的长度。单位时间内总轨迹长的值越小，表明人体晃动频率越低或者偏离中心位置的幅度越小，人体平衡稳定性越好。重心移动轨迹长的计算表示为642&，0uu/(x)-2-4-6-8-8-6-4-2024x/mm图4压力中心移动轨迹（橙色区域为包络面积组成单元）Fig.4Trajectory of the center of pressure(Theorange region is the component unit of the envelopearea)n-1Length=2/x+-x.)*+(yi+-y.)(1)式中，i=1,2,n，（x,y）表示t,采样时刻COP在测力板的坐标，n表示连续采集的n个压力中心的坐标。1.4.2包络面积包络面积是COP坐标的移动轨迹所包围的区域面积,反映了人体的摇摆幅度的大小。如图4所示,以COP的平均坐标点（x,y）为包络面积的中心点,轨迹中相邻两点与中心点可构成近似扇形的区域即图4中的橙色三角形区域，所有的扇形面积之和即为包络面积。分别计算这两点与中心点的距离，取较远的距离r作为扇形半径，两点间的距离可近似为弧长。计算公式为(xi+1-x,)2n一1Area+(yi+t-y.)2(2)2式中,i=1,2,n。1.5脑功能网络特征大脑完成一个任务时需要依赖各个功能区域协同，而结合复杂网络理论和图论的脑功能网络是对大脑不同神经元、神经元集群或脑区之间动态活动交互整合的直观描述。在该模型的基础上分析脑区之间的关联特性，可以揭示大脑在人体平衡调节过程中的信息加工机制和神经传达机制。脑功能网络是个复杂的抽象网络，具有小世界网络的属性17。本研究选取平衡调节时的EEG信号构建脑功能网络，具体步骤为步骤1：定义网络节点。选择EEG信号采集电极位置作为脑功能网络节点。步骤2：脑电信号预处理。采集受试者平衡调节的各节点EEG信号，根据Chaieb等18 给出的参考，使用巴特沃斯滤波器提取对平衡分析有较好的效果的频段EEG,并利用独立成分分析去除肌电、眼电伪迹等生理噪声和小波变换去除低频信号漂移。步骤3：节点相关性。选用Pearson相关系数法计算各通道EEG之间的相关性，如式（3）所示。Tx(t)-x,J x,()-,1=1(3)订TTx()-x,x()-2=式中,ij=1,2,N,x(t)和x(t)为节点i和节点398中生国医42卷程物报学学j在t时刻的采样值，,和x,为节点i和节点i的平均采样值，N为节点数，T为时间序列总长。其中T的值介于-1和1,取r,的绝对值1r,|，1r|越小表示两节点相关性越弱，由此可得到一个NN的对称的相关系数矩阵。步骤4：选取合适的值T。在相关系数矩阵基础上，依据去除弱连接边、保证网络连通性和满足网络密度要求等原则来确定阈值。选取合适的阈值，利用式（4）将相关系数矩阵转化为二值矩阵，由该矩阵得到脑功能网络的拓扑结构。T(4)T=1表示节点i和节点j之间存在连接边，=0 则不存在连接边。步骤5：计算脑功能网络特征。选取反映节点重要程度的度D,与网络稀疏程度的平均度D、网络集群程度的平均聚类系数C、信息传递效率的平均路径长度L和全局效率E等作为特征参数。D,=N(5)11NDD(6)N12e;C(7)Nk;(k;-1)NN1L=(8)N(N-1)i=1j=1,j+iNd1NE=(9)N(N-1)i=1式中，N为整个网络中的节点数；为二值矩阵中的元素，表示是否存在连接边；k，为节点i的邻节点数目，e;表示节点i与这些邻节点之间实际连接边数；d，表示节点i与j之间的最短传递路径长度。为了研究不同极性tDCS刺激对人体平衡能力的影响,通过配对t检验分别对阳极和阴极tDCS刺激后的各脑功能网络参数与伪tDCS后的参数进行统计分析，当P0.05时具有显著性差异。2结果2.1COP特征由表2 和图5可知，与伪刺激重心移动轨迹长Length（12 8.2 2 2 1.58）c m】相比，阳极刺激后Length（116.2 119.7 1)c m显著降低（P0.05），表示人体晃动频率变低幅度变小；阴极刺激后表2 COP特征结果Tab.2Featuresresultsof CoPCOP特征伪刺激阳极刺激阴极刺激Length/cm128.2221.58116.2119.71138.0422.32Area/cm29.522.538.932.4110.03 2.7120018LengthArea180*1616014140121201010088066040420200伪刺激阳极刺激阴极刺激刺激模式图5重心移动轨迹长和包络面积（*表示P0.05）Fig.5The length and envelope area of the centerof gravity trajectory(*:P0.05)Length（138.0 42 2.32）c m显著增加（P0.05)。这与Tanaka等16 的研究结果一致，考虑是阳极刺激提高了踝关节肌肉的力量，而人体静止站立时，外力扰动小，身体主要采取以踝关节为轴动态晃动的平衡策略。2.2脑功能网络2.2.1脑功能网络拓扑图值选取策略为：脑功能网络的节点总数N与平均度D要满足关系式DlnN=2.9。本研究选取阈值为0.6 3，此时平均节点度D的取值范围为59，且网络密度范围为2 5%45%，均小于50%，满足约束条件。图6 是被试在不同范式下的一组脑功能网络拓扑图。图6(a)为P1范式伪刺激脑网络图,0 1、0 2节点以及附近的节点集团化程度较低，而中央区内部节点C3、C4、Cz 以及附近的节点集团化程度比枕叶区略高。推测阻断了视觉的输入后，处理视觉信息的枕叶区获取视觉信息受到干扰，与相关脑区之间信息交互较低，而本体感觉未受影响，使得中央区节点集团化程度高于枕叶区。图6(b)为P2范式阳极刺激脑网络图，0 1、0 2节点以及附近的节点集团化程度依然维持在较低的水平，但是中央区内部节点C3、C4、Cz 等之间的连通性有增强的趋势，额叶区节点F3、Fz、F4集团化程度也得到了增强，尤其是C3集团化程度提升明显，推测是该脑区受到阳极刺激使得兴奋程度增3994期蔡宏伟，等：经颅直流电刺激对人体平衡脑网络特征的影响研究F1F02Fp1Fp2FzF4F8F3FF3CAT8C3CAC4CC3CZC3T7CZT7T8T8T7P7P3P2P4PBVP7P3PZP4P8P7P3PZP4P802020102(a)(b)(c)图6节点连接网络图。（a）伪刺激；(b）阳极刺激；（c）阴极刺激Fig.6Network diagram of node connections.(a)Sham stimulation;(b)Anodal stimulation;(c)Cathodal stimulation加。从不同脑区上看，中央区与额叶区、中央区与枕叶区的联系明显加强，推测是由于阳极刺激激活了此区域的皮层活性，与其他更多的节点建立了连接，使得脑区之间的联系更加紧密。从而增强了本体感觉，提高了人体的平衡能力。图6(c)为P3范式阴极刺激脑网络图，与伪刺激相比，0 1、0 2 节点以及附近的节点集团化程度依然维持在较低的水平，中央区内部节点C3、C4、Cz等之间的连通性有减弱的趋势，但是额叶内部区域联系强度与伪刺激持平。从不同脑区上看，中央区左侧和额叶区的联系明显减弱，但是中央区右侧与额叶区联系加强，可能的原因是阴极刺激后抑制了此区域的皮层活性，而对侧则由于补偿机制反而增强了。额叶区内部联系并未明显减弱可解释为由于视觉信息的缺失，其它信息的利用反而得到了加强，但是总体上仍然表现为人体平衡能力下降。2.2.2脑功能网络特征3种范式刺激后脑功能网络特征平均度结果如图7 所示。另外，对节点度进行排序，取度值较高的前6 个节点为核心节点，结果如表3所示。从图7的平均度和表3的节点排序可以看出，核心节点主要分布在中央区和额叶区，且度值最高的节点均在中央区，推测中央区和额叶区是参与人体平衡的重要脑区，且中央区更重要。阳极刺激后，C4度值排序不变，C3度值增长较快，而阴极刺激后C4度值增长较快，C3度值下降较快，推测阳极刺激后主要激活了中央区左侧，阴极刺激后则抑制了中央区左侧，出于“平衡补偿机制”，活跃脑区转移至对侧。从整体上看，与伪刺激平均度D为6.111.2 1相比，阳极刺激后D为7.46 1.0 5，显著提高（P0.05），不同脑区之间的交流更加频繁，阴极刺激D为5.511.33，显著降低（P0.05），不同脑区之间的交流频率显著下降。额叶区与中央区D明显12*伪刺激10阳极刺激阴极刺激*86420额叶区中央区枕叶区整体脑区图7 3种tDCS刺激后的不同脑区的平均度（*表示P0.05)Fig.7The average degree of different brain regionsafter 3 tDCS stimulations(*:P0.05)表3节点度排序结果Tab.3Node Degree SortingResults排序伪刺激阳极刺激阴极刺激1CzC3C42Fz.CzF43Fp1F7Cz4F4FzFz5C3F3F36C4C4F8高于枕叶区，且伪刺激后额叶区与中央区D分别为7.451.24和7.57 1.2 5，而阳极刺激后D分别为9.211.18和9.2 2 1.16，显著提高（P0.05），阴极刺激后中央区D为6.0 31.2 7,显著下降（P0.05），进一步证实了额叶区与中央区是人体平衡系统的重要脑区。图8 是在闭眼静立任务下，被试者经过不同极性tDCS刺激之后的平均聚类系数C。从整体上看,与伪刺激后C为0.510.0 7 相比，阳极刺激后C为0.6 10.06,显著提高（P0.05）,不同脑区之间的紧密程度显著增加，阴极刺激后C整体为0.430.0 7,显著下降（P0.05），中央区400中42卷生国医报程学学物1.0伪刺激阳极刺激*0.8阴极刺激*0.60.40.20.0额叶区中央区枕叶区整体脑区图8 3种tDCS刺激后的不同脑区的平均聚类系数(*表示P0.05;*表示P0.01)Fig.8The average clustering coefficient of differentbrain regions after 3 tDCS stimulations(*:P0.05;*:P0.01)C阳极刺激后0.6 9 0.0 5相比伪刺激后0.57 0.0 6显著提高（P0.01），阴极刺激后0.40 0.0 8 显著下降（P0.01），额叶区C阳极刺激后0.7 50.0 5比伪刺激后0.59 0.0 8 显著提高（P0.05）。平均路径长度L与全局效率E的结果如图9 和图10 所示。从整体上看，与伪刺激L为1.8 50.16、E为0.6 40.0 5相比，阳极刺激L为1.6 6 0.14、E为0.6 9 0.0 4,导致L显著降低,E显著增加；阴极刺激L为1.9 50.16、E为0.6 2 0.0 4,导致L显著增加,E显著减少（P0.05）。枕叶区阳极刺激L为1.8 7 0.13、E为0.6 0 0.05,与伪刺激L为2.110.15、E为0.56 0.0 3相比,L显著降低,E显著增加（P0.05）；中央区阳极刺激后L为1.52 0.18、E为0.7 50.0 4,与伪刺激后L为1.7 10.2 0、E为0.6 8 0.0 6 相比，L显著减少,E显著增加（P0.05），阴极刺激后L为1.8 7 0.21、E为0.6 30.0 2,L显著增加,E显著减少（P3.0伪刺激阳极刺激2.5阴极刺激2.01.51.00.50.0额叶区中央区枕叶区整体脑区图9 3种tDCS刺激后的不同脑区的平均路径长度(*表示P0.05)Fig.9The average path length of different brainregions after 3 tDCS stimulations(*:P0.05)1.0伪刺激0.9阳极刺激0.8阴极刺激，0.70.60.50.40.30.20.10.0额叶区中央区枕叶区整体脑区图10 3种tDCS刺激后的不同脑区的全局效率(*表示P0.05)Fig.10The global efficiency of different brainregions after 3 tDCS stimulations(*:P0.05)0.05）。额叶区阳极刺激后L为1.540.13、E为0.740.04相比伪刺激后L为1.7 0 0.14、E为0.690.05,L显著减少,E显著增加（P0.05）。这表明阳极刺激后节点之间的传递路径更短，信息传输效率更高，阴极刺激则相反，3讨论COP特征具有直观、量化性好的特点，是平衡功能常用的传统评价指标，也是业界人体平衡能力评估的金标准，所以本研究采用其为脑功能网络参数平衡分析提供佐证。研究发现，阳极tDCS后重心移动轨迹长显著减小，但包络面积无显著性差异。总轨迹长度的减少可能反映了重心偏移速度的下降。Lazzari等l在对M1 的tDCS 研究中，振荡区域无显著变化，但速度发生了变化。因此，重心偏移幅度并无大变化，但调节频度由于阳极tDCS下降，即，速度的变化可能是tDCS引起的神经调节变化的一个比包络面积变化更敏感的参数。另外，发现各脑网络参数变化显著，因此可作为人体平衡评价的内源性神经调节指标特征。肖松林等8 发现阳极刺激后闭眼单脚站立任务下的人体平衡得到提高，而0.5min闭眼双脚站立无显著变化。我们认为0.5min闭眼双脚站立并不能完全展示人体的平衡能力，尤其对于年轻人，所以肖松林等的研究还不充分。本研究采用改进的闭眼双脚站立为2min更具挑战性，推测年轻人平衡能力较好，在高难度平衡挑战性任务下效果更好。根据阳极刺激与伪刺激后的拓扑图和参数分析结果，可以进一步证实阳极刺激对人体平衡调节时大脑的工作效率有显著的提升作用，并且提升效果源于激活了刺激节点C3以及附近区域的皮层活401蔡宏伟，等：经颅直流电刺激对人体平衡脑网络特征的影响研究4期性，增强了该脑区与其他脑区之间的连接，中央区和额叶区内部联系加强，且中央区与额叶区、枕叶区之间联系加强。此外，发现阳极刺激后以中央区的效果提升最为显著，最高度值点始终在中央区，表明中央区更重要，额叶区次之。分析结果显示，枕叶区在闭眼时与相关脑区交流较少，中央区和额叶区较为活跃，阳极刺激后整体、中央区、额叶区各个特征参数的变化均表现出大脑连通性的提升。尽管由于闭眼使得枕叶区获得的信息量大幅减少，但由于阳极tDCS作用，仍加强了整个脑区之间的协同性。阳极tDCS后人体重心移动轨迹长显著下降，表示人体平衡能力提高，与此同时脑区间连接增强，综合两者得出人体平衡能力提高。文献19 表明进行平衡任务时，平衡能力较差的人，脑区间交互性较低；平衡能力较好的人，脑区间交互性较高。该结论与本研究结论一致。阴极刺激后，被试的重心移动轨迹长显著增加，平均度减小，平均聚类系数下降，平均最短路径增加，全局效率降低，表现为人体平衡能力下降。与Ishigaki等2 0 的研究结果一致，阴极刺激会降低人体能力，不过Ishigaki等刺激区域是后顶叶皮层。但Inukai等2 1刺激小脑后得出相反的结论，人体平衡能力反而得到了提升。阴极tDCS可能会抑制浦肯野细胞并减少对小脑深核的抑制，从而增强对M1 的兴奋性输出2 2】,据此推断不同区域的阴极刺激将会产生不一样的效果。静立平衡姿势主要依赖前庭觉、视觉和本体感觉3种感觉输入，并且对各种感觉的依赖程度因人而异，即具有个体差异性，因此，每种感官的不同贡献可能会导致负责协同整合的额叶区无显著差异。本研究的局限性之一是所有受试者都是健康的年轻人，尚缺少运动功能障碍患者的实验，也没有在老年人身上进行实验和年龄差异性对比；另一个不足之处是，没有在刺激参数、刺激部位进行更多的尝试。因此，今后可考虑不同被试对象、不同刺激部位的实验研究。4结论本研究采用tDCS伪刺激、阳极刺激、阴极刺激3种范式对人体平衡能力开展脑功能网络特征研究，并与传统COP平衡特征进行对比分析，总结不同极性tDCS刺激对人体平衡的影响机制。研究结果表明,脑网络分析结果与COP表述结果具有一致性，置于C3的阳极tDCS致人体晃动频率变低，有效激活了初级运动皮层活性，增强了全脑区间联系，提升了人体平衡能力；而阴极tDCS后效果相反，人体平衡能力趋弱。因此，tDCS是一种对人体平衡能力有影响的神经调控技术，脑功能网络特征可作为人体平衡评价的内源性神经调节指标特征，在运动功能障碍、脑卒中等平衡功能患者上很好的应用前景。参考文献1 Ni t s c h e M A,Pa u l u s W.Ex c i t a b i l i t y c h a n g e s i n d u c e d i n t h ehuman motor cortex by weak transcranial direct currentstimulationJ.Journal of Physiology,2000,527（3):6 33-639.2Lattari E,Costa SS,Campos C,et al.Can transcranial directcurrent stimulation on the dorsolateral prefrontal cortex improvesbalance and functional mobility in Parkinsons disease?J.Neuroscience Letters,2017,636(2):165-169.3Auvichayapat N,Rotenberg A,Gersner R,et al.Transcranialdirect current stimulation for treatment of refractory childhoodfocal epilepsy J.Brain Stimulation,2013,6(4):696-700.4Monte-Silva K,Kuo MF,Hessenthaler S,et al.Induction of lateLTP-Like plasticity in the human motor cortex by repeated non-invasive brain stimulationJ.Brain Stimulation,2013,6(3):424-432.5陆晟，罗志增，史红斐，等。经颅直流电刺激干预工作记忆的脑功能网络研究J中国生物医学工程学报，2 0 2 1，40(2):145-153.6Palazzo F,Nardi A,Lamouchideli N,et al.The effect of age,sex and a firm-textured surface on postural control J.Experimental Brain Research,2021,239(7):2181-2191.7Sohn MK,Jee SJ,Kim YW.Effect of transcranial direct currentstimulation on postural stability and lower extremity strength inhemiplegic stroke patients J.A n n a l s o f R e h a b i