经皮穴位电刺激镇静脑电图的变化

临床上，镇静指抑制意识、逐渐降低对外部刺激的反应能力。现有的研究表明，在麻醉药物诱导的镇静过程中发现了一种独特的脑电图模式。研究表明，δ和α波段的脑电图波段功率随着镇静水平的增加而增加。此外，大脑功能网络分析表明，额叶-顶叶信号连接受抑制与全麻期间意识下降有关。此外，通过排列熵（PE）测量的脑电图信号的复杂性与异丙酚诱导的镇静水平相关。显然，脑电图的变化与镇静作用有比较好的相关性。

研究表明，在全身麻醉期间应用针刺可以减少麻醉药的用量。因此推测，针刺可能有镇静作用。然而，现有的研究往往将针刺与麻醉药联合应用，因此很难评估针刺的镇静作用。本研究采用交叉设计，对健康志愿者双侧足三里（ST36）、神门（HT7）和三阴交穴（SP6）行经皮穴位电刺激（TAES），使用脑电双频指数（BIS）观察镇静效果，同时记录脑电信号，通过对脑电信号的分析探讨静息状态和TAES期间脑电活动的差异，观察TEAS产生的镇静作用，探讨在没有联合用药的情况下经皮穴位电刺激的镇静作用。该研究结果发表于2020年10月的Clinical EEG and Neuroscience上，中西合璧专栏对该文进行了编译，以飨读者。

材料和方法：

本研究经作者医院伦理审查委员会批准，并遵循赫尔辛基宣言。共有16名健康男性受试者参与，受试前均得到充分告知并签署同意书。所有受试者均无针刺治疗经历，无神经系统或精神疾病史。研究选择在白天进行，受试者在试验前被要求至少睡满8h，以消除可能因睡眠不足引起的混淆。

研究设计

研究采用交叉设计，其中每位受试者都需要经历静息状态和穴位电刺激两个环节。每个环节持续30min。同一位受试者两个环节的顺序是随机的。含有分配信息的文件放置在有16个编号的密封信封中。有观点认为，电针在治疗终止后仍会产生持久的影响。因此，为给电针治疗提供一个“洗脱”期，两个环节间至少间隔24小时。穴位定位和TAES治疗，都是由同一位专业医师进行。

在电针治疗期间，电极片(2228型，3M)分别贴在双侧足三里(ST36)、神门(HT7)和三阴交(SP6)穴位上。电刺激发生器(华佗SDZ-V神经肌肉刺激器，苏州医疗器械厂；医疗器械产品注册:中国江苏省医药产品管理局，MDDC[医疗器械国内类] 2008Nr2270497)。

决定电针治疗疗效的一个关键方面是刺激频率和强度的选择。既往研究表明，在电针治疗中，选择较低频率范围的穴位刺激可能具有更好的镇静效果。然而，单一频率的刺激可能会使受试者耐受，从而降低电针的效果。据报道，当以“疏密波”模式给予刺激时，电针的治疗效果可以最大化。因此，在这项工作中，我们选择了2/10Hz疏密波对选定的穴位进行电刺激。

一个完整疏密波的波形持续14s，在2 Hz和10 Hz之间交替5s和9s。典型的刺激波形如图1B所示。医生通过询问受试者的感觉来调整刺激的强度。刺激的幅度由专业医师调整，要求刺激不会引起任何不适且没有肌肉收缩。在静息状态时，电极片贴在与电刺激相同的穴位处，但没有接通电源。整个试验过程中，受试者需要在静息期和TAES期间闭上眼睛。

镇静的量化

TAES的镇静作用通过脑电双频指数BIS进行量化。BIS值在40-60范围内，为全身麻醉的镇静深度的合适范围。当BIS为69时，受试者的行为反应通常会消失(警觉/镇静观察评分为1分)。BIS值在60到80之间被认为是中度镇静。在这项研究中，整个试验过程的每位受试者都需要在静息期和TAES治疗期间监测BIS。如果电针有镇静作用，在TAES治疗期间获得的BIS数值应明显低于静息状态下的BIS数值。

脑电图采集与分析

采集和预处理：使用Synamps 2/RT系统(NeuroScan)记录30个通道的脑电图数据。脑电图数据采样率为1 kHz。所有通道均以左右乳突为参考电极，且电极阻抗低于5kΩ。选择与所选BIS数据进行时间对齐的10 min脑电图数据。利用带通滤波将 EEG数据滤波到0.5~40 Hz频带内。通过目视检查去除头部运动产生的伪影和噪声。将无伪迹的EEG信号重参考到共同平均参考(CAR)。预处理后的脑电图数据被分割成不重叠的5s片段，用于进一步分析。脑电图信号分析通过MATLAB R2017a的EEGLAB工具箱完成。脑电信号处理和分析流水线的框图如图2所示。

光谱分析：使用Welch's方法得到每个5s脑电片段的功率谱（Power Spectral Density PSD）。PSD也称为功率谱或频谱，量化了信号中能量或功率的频率分布。用功率谱方法计算脑电数据的功率谱密度。本方法利用信号重叠分割窗口函数和FFT算法计算信号序列的自功率谱估计。计算每名受试者在时间窗和通道上的平均值的组级PSD。在获得脑电图信号的功率谱密度后，计算了四个典型频带与整个频带的比值 (δ频带，1-4Hz；θ频带，5-8Hz；α频带，9-12Hz；β频带，13-25Hz)。

统计分析

使用Wilcoxon秩和检验比较静息期和TAES期间各频段的BIS值、功率谱密度变化和图形理论测量值。使用Bonferroni校正来控制错误发生率。P<0.05表示差异有统计学意义。

结果

受试者人口统计和刺激参数：所有受试者的人口统计信息见表1。

受试者的年龄构成分布较窄。除外一名31岁的受试者，其他受试者年龄在19至26岁之间， BMI指数提示无肥胖患者。

对于每位受试者和每个穴位，我们调整强度至受试者可以感觉到刺激但无不适感。在这种条件下，产生的刺激模仿了传统针灸中的捻转和提刺手法。每个穴位的刺激强度分布见表2。在组水平上，每个穴位所需的刺激强度是相似的。然而，我们注意到从相对较大的刺激强度范围中可以证实受试者之间存在着很大的差异。主要归因于每位受试者的感觉阈值不同。由于我们单独调整了强度，不同受试者之间强度水平的差异不会影响TAES的治疗效果。

静息期和TAES期间BIS数值的差别

临床意义的镇静BIS值小于80。在本研究中，临床意义上的镇静被定义为BIS小于80并持续10min。根据此标准，在16名受试者中有12人成功的在电针诱导下产生镇静。由于我们的目的是研究TAES诱导镇静的可能神经相关因素，因此未观察到镇静作用的受试者被排除在外。

所有12名受试者在静息期和TAES期间的平均BIS值如图3A所示，其BIS值分别为87.4± 9.8和72.3±13.0。可以观察到，TAES期间BIS值呈明显的负趋势，而静息期间的BIS值相对稳定。采用配对t检验，以误报率校正的方法研究静息状态和TAES状态下BIS值的差异。如图3A所示，在200s之后，几乎每个时间点的BIS都达到了统计学意义上的显著差异。此外，我们还发现，在800s的TAES刺激后，静息状态和TAES状态下BIS值的差异变得更加明显。这些结果表明TAES治疗具有临床意义的镇静作用。

TAES状态下PSD的变化：为了进行比较，我们从TAES期间提取了BIS小于80的10min的EEG数据。图3B显示了整个脑电通道的脑电功率谱的总平均值。在静息期和TAES期间，脑电功率主要分布在δ波段。此外，我们还注意到，与静息期相比，TAES期间的δ波段功率显著增大，而α波段功率在两种状态下的值相似。

随后我们计算了在0.5Hz到40Hz范围内所有典型脑电频带的相对功率。获得的δ、θ、α和β波段的相对功率如图3B所示。可以观察到，与静息状态相比，TAES期间δ波段的相对功率在统计学意义上显著增大（P<0.05），而在TAES期间α波段的相对功率在统计学意义上显著降低（P<0.05）。两种情况下β波段的相对功率相似。由于在δ和α波段发现了功率在统计学意义上的显著变化，因此我们在重点研究了脑功能网络中的这两个频段。

TAES状态下估计复合置换熵指数CPEI的变化：与功率谱分析类似，CPEI计算采用了一段10min的代表性脑电信号。获得所有脑电通道的CPEI指数。结果如图4所示。可以观察到，在TAES诱导的镇静期间，每个电极的CPEI都是降低的，如图4A所示。与静息状态相比，TAES期间CPEI的变化显著增加。TAES期间的较大差异很难达到预定的统计学意义上的显著差异水平。然而，我们发现从F4获得的P值（P<0.053）接近统计学意义上的显著差异水平。此外，静息状态和TAES状态下CPEI的平均差异在额叶区域显著减少，如图4B所示。

TAES期间中脑功能网络系统的变化：对每位受试者和每个状态的脑功能网络及其相应的图论测量进行了估计。静息期和TAES期间相位延迟指数（wPLI）平均值在δ波段为0.236± 0.003和0.239± 0.003，在α波段为0.250± 0.010和0.231± 0.007。我们发现，所有电极的wPLI平均值（作为整体连接强度的度量）在静息态和TAES态的δ波段（P<0.001）和α波段（P<0.001）显著不同。

图5A-D和图5E-H分别为α带和δ带静息状态和TAES状态下的图论测量。所有图论测量，包括聚类系数、特征路径长度、局部效率和全局效率，都表示为网络稀疏性的函数。如图5A-C所示，我们发现在α带中，TAES期间大脑功能网络的聚集系数、局部和全局效率较低，而特征路径长度较高。尽管在δ带中发现了显著的相对功率变化，但获得的静息期和TAES期间的图论测量几乎相同，如图5E-H所示。

讨论

本文探讨了在双侧足三里（ST36）、神门（HT7）、三阴交（SP6）穴位进行TAES治疗是否能产生明显的镇静作用，以及TAES镇静作用的神经机制。为此，采用BIS指数来量化镇静水平。采用交叉设计，我们发现电刺激足三里（ST36）、神门（HT7）和三阴交（SP6）穴位30min可以显著降低BIS值。利用在静息状态和TAES状态下采集的30个通道的EEG信号，可以证明TAES诱导的镇静作用伴随着α波段功率的显著降低和δ波段功率的显著增加。在TAES过程中，采用排列熵量化的脑电信号复杂度降低。脑功能分析显示，在TAES期间，δ波段和α波段的全脑功能连接强度在TAES期间显著降低。

现有的研究尚未就TAES或EA的镇静作用达成共识。在现有的研究中，全麻期间应用EA治疗导致镇静药物的减少很少能观察到一致的结果。几乎所有既往的研究都表明在手术期间EA或TAES是具有镇静作用，但阿片类药物的相互作用和不可避免的伤害性刺激可能会改变受试者的意识水平。然而，在本研究中，TAES被用作诱导镇静的唯一疗法。因此，观察到的意识水平的降低可能仅仅是因为针刺的作用。结果表明，TAES治疗后BIS值明显降低，在经皮穴位电刺激开始后约15min 后BIS值降至最低。最大镇静作用的时间与既往结果一致。因此，该结果表明经皮穴位电刺激双侧足三里（ST36），神门穴（HT7）和三阴交（SP6）穴对健康受试者有明显的镇静作用。

对同时采集的脑电数据进行功率谱分析，发现TAES治疗期间α波的功率显著降低，δ波的功率增加。δ波活动增加被认为是无意识的一个标志。关于睡眠和麻醉的研究表明，意识的降低伴随着δ波功率的显著增加。δ振荡通常被认为与深度睡眠状态和神经元功能损伤有关。众所周知，α振荡主要是作为一种自上而下控制的脑电图抑制机制。可见，TAES诱导镇静产生的δ和α振荡的功率变化与大脑意识状态的变化密切相关。

我们在针刺引起功率谱变化方面的研究结果与以往并不完全一致。既往研究表明，电刺激足三里穴可显著提高δ和α波段的功率，丙泊酚诱导的轻度镇静后，TAES可显著提高α和β波段的功率，降低δ波段的功率。针刺引起的脑活动具有模式和穴位特异性，因此，该结果可能与穴位的选择和刺激方式有关。

由于δ和α波段的脑电功率存在显著差异，我们进一步构建了一个脑功能网络，并计算了这两个波段的图论测度。在TAES过程中，用平均wPLI量化的大脑连接强度在δ和α波段上都有统计学意义上的改变。然而，在麻醉诱导期间的两个频段的图论测量中未发现统计学差异。麻醉和TAES诱导镇静的主要区别之一是镇静深度。单独应用TAES不太可能将意识消除到类似于全身麻醉的程度；因此，可能无法观察到大脑拓扑特性的抑制。

全身麻醉中麻醉药物的使用量与年龄相关。手术过程中，老年患者需要更少的麻醉剂维持一定的麻醉深度。与大脑老化和代谢功能的下降密不可分。由于代谢与针刺作用无关，因此其对电针的镇静作用影响不大。但大脑的衰退可能会影响电针镇静的效果。随着年龄的增长，电针发挥镇静作用的时间可能更短。然而，年龄对电针镇静作用的影响尚需进一步研究。

结论

在本项研究中，我们发现在一定的刺激频率和强度下经皮穴位电刺激双侧足三里（ST36）、神门（HT7）和三阴交（SP6）穴位可以诱导健康男性受试者产生一定的镇静作用。利用同时采集的脑电信号，我们发现在TAES治疗期间，α和δ波段的功率有显著变化，CPEI和全脑功能连接强度都随之降低。

中西合璧述评

EEG是非侵入性的、具有突出的时间分辨率、用于捕获神经元连接动态的主要临床技术，该技术适用于分析包括脑网络在内的神经网络。而针刺疗法中所刺激的穴位具有选择性调节和泛调节的双重效应，可通过局部微创、轴突反射、脊髓节段支配、脑内整合及脑输出等 5级效应途径来实现其作用。因此，针刺引起的EEG信号变化不仅可作为针刺疗效的评价指标，也是针刺机制研究的分析方法。四种基本脑波为：α波、β波、θ波、δ波。α波和β波主要在清醒、安静、闭眼或是兴奋状态下出现，θ波主要在困倦时出现，δ波主要在入睡后或极度疲倦、麻醉状态下出现。先前的一项研究表明，手工针刺右侧足三里，留针10 min，观察到δ和α带功率显著增加，与本研究结果不完全一致，有可能与针刺的方式以及针刺的参数有关。

该研究非常有价值，在此基础上，有很多值得深入研究的问题。首先，该研究受试者均为健康的年轻男性，年龄和性别对TAES镇静作用的影响有待进一步研究；其次，由于实验设计的原因，作者只收集了TAES状态和静息状态下30min的脑电数据。因此，TAES诱导的镇静作用药效动力学尚不清楚；最后，研究结果表明，在双侧足三里、神门和三阴交穴位进行TAES，选择适当的刺激参数，包括频率和刺激方式，可以产生明显的镇静作用，所得到的关于脑电特征变化的结果仅在上述刺激参数下有效。使用不同的刺激参数或不同的穴位选择是否能获得相似的脑电图特征变化，目前尚不清楚。

编译：油文静

述评：许华，张永燕

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