國家康復輔具研究中心李增勇教授課題組在《Neurorehabilitation and neural repair》發表了題為“Median nerve electrical timulation induced changes in effective connectivity in subjects with stroke as assessed with functional near-infrared spectroscopy”的研究論文。基于近紅外腦功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了正中神經電刺激（MNES）對腦卒中患者大腦功能網絡的影響，為腦卒中肢體運動訓練的在線康復效果評估提供有效方法。

       該研究需要在神經電刺激情況下對大腦的額葉、運動區、枕葉實現同步檢測，對于近紅外腦成像系統的信號靈敏度提出了極高要求。

       慧創近紅外腦功能成像系統NirSmart融合了北京航空航天大學高精尖的超微光檢測技術，并采用了通常臺式系統才能裝備的雪崩二極管APD探測器，相對上一代的采用光電二極管PD探測器技術的靈敏度提升了數十倍，因而在有頭發覆蓋的運動區能高質量地檢測到腦功能信號，有效地支撐了本研究地順利開展。  
摘要
背景：有研究證明電刺激對卒中后運動功能的恢復有促進作用。然而，電刺激對腦卒中患者的皮質可塑性影響尚未完全闡明。
目的：基于功能性近紅外光譜技術（fNIRS）研究正中神經電刺激（MNES）對腦卒中患者大腦功能網絡的影響，揭示外周神經電刺激在腦功能重組的作用機制。
方法：應用fNIRS設備分別監測20例腦卒中右側偏癱患者靜息態和MNES（作用于患側腕部）狀態下雙側前額葉區（LPFC/RPFC）、運動區（LMC/RMC）和枕葉（LOL/ROL）的腦氧信號。利用耦合函數和動態貝葉斯推論，在頻段0.01-0.08Hz范圍內構建相位耦合模型，評估與MNES相關的腦效應連接網絡的變化。
結果：與靜息態相比，MNES狀態下由前額葉指向LOL的耦合強度顯著升高，而由健側運動區指向患側運動區的耦合強度顯著降低。MNES狀態下卒中患者腦區間主耦合方向主要由患側前額葉指向運動區和枕葉。
結論：研究結果表明，MNES可激發患側手部的感覺運動刺激，促進腦卒中患者健側和患側皮質區的功能重組，有助于增強患側前額葉在大腦網絡中的調節作用。
 
樣本與方法
樣本：共選取招納23例缺血性腦卒中右偏癱患者參與本項研究。入選標準為：（1）影像學證實為缺血性卒中，發病兩周后；（2）大腦單側病灶區；（3）>35歲；（4）小學及以上學歷。排除標準：（1）存在任何臨床顯著的或不穩定的疾病（2）存在任何卒中以外的神經精神疾病；（3）皮膚損傷、感染、痛覺過敏和刺激區不耐受；（4）患者或其家屬未簽署知情同意書。實驗是在每個參與者的理解和書面同意下進行的。實驗程序經國家康復輔具研究中心人類倫理委員會批準，符合1975年《赫爾辛基宣言》（1983年修訂）規定的倫理標準。
 
fNIRS數據采集：
本實驗所采用的是丹陽慧創醫療設備有限公司所提供型號為NirSmart的多通道fNIRS儀器。光源典型的波長分別為760 nm和850 nm。探測器探頭距離光源的距離為30 mm。數據采樣頻率為10 Hz。根據腦電10-10定位參考在大腦上對稱布置20個光源和10個探頭，共組成共32個測量通道，對稱覆蓋左右前額葉（LPFC/RPFC）、左右運動區（LMC/RMC）及左右枕葉（LOL/ROL）。實驗fNIRS的通道布置如圖所示。
實驗流程：本實驗分別在靜息態（10min）和MNES任務態（10min）下進行fNIRS信號的采集。在靜息狀態和MNES狀態下，參與者都被要求閉上眼睛，盡可能保持靜止，自然放松狀態。在MNES狀態，對患者右手正中神經上方施加功能電刺激，如圖所示。電刺激儀器輸出波形為方波，電流頻率為50Hz，刺激強度設置為患者可耐受的最高水平（平均16.8±3.1 mA），足以產生明顯的肌肉抽搐或收縮而無疼痛感。

fNIRS數據預處理及效應連接計算：
首先對fNIRS采集的光強信號進行低頻濾波（2Hz），以減少儀器噪聲等高頻干擾。然后根據修正版 Beer-Lambert定律，將原始數據轉化為delta HbO2濃度變化數據。去除每一狀態的前兩分鐘數據使得濃度數據達到一個穩定狀態。
預處理后，應用Morlet小波對數據進行小波分析，提取低頻段0.01-0.08 Hz相位動態信息的振蕩信號。基于振蕩信號的相位動力學，建立了各通道對之間的耦合相位振蕩模型。
統計分析：
采用單因素方差（ANOVA）來分別分析靜息態和MNES狀態下腦卒中患者腦區間耦合強度的顯著性差異。采用卡方檢驗分析兩種狀態之間腦區主耦合方向的顯著性差異，p < 0.05認為差異具有統計顯著性。
 結果
MNES對腦區間效應連接的影響
與靜息態相比，MNES任務態下由LPFC、RPFC、LMC和RMC指向LOL的耦合強度呈上升趨勢。其中連接LPFC→LOL和連接RPFC→LOL的耦合強度顯著增加。MNES任務態下由LMC、RMC、LOL和 ROL指向RPFC的耦合強度較靜息態下呈上升趨勢，其中連接LMC→RPFC和LOL→RPFC的耦合強度顯著增加。與靜息態相比，健側運動區指向患側運動區的耦合強度在MNES狀態下顯著降低。

                                             圖：靜息態與MNES狀態的腦區間效應連接比較
MNES對腦區間主耦合方向的影響
靜息態下腦卒中患者腦區間的主耦合方向主要是由RPFC指向LPFC、LMC和RMC以及由LMC和RMC指向LPFC。這一結果說明靜息態下腦卒中患者的健側前額葉起主要調節作用，而患側前額葉主要作為調節大腦網絡運動區域的靶點。在MNES狀態下，腦區間主耦合方向主要是由LPFC指向LMC、RMC、LOL和ROL。

                                     圖：腦卒中患者腦區間的主耦合方向靜息態（A）和MNES狀態（B）
 
結論
本研究基于fNIRS技術，研究了MNES對腦卒中患者大腦效應連接網絡的影響。主要結果有：（1）MNES顯著增加前額葉到LOL、LMC和LOL到RPFC的耦合強度，而健側運動區指向患側運動區的耦合強度顯著下降；（2）與靜息態相比，MNES狀態下的主耦合方向主要由患側前額葉指向運動區和枕葉；（3）基于fNIRS的效應連接分析可以監測MNES對腦卒中患者大腦功能重組的影響。結果表明MNES可以激發患側手部的感覺運動反應，誘發到患側和健側皮質區域的功能重組。腦卒中患者在患側MNES狀態下前額葉至枕葉的神經耦合明顯增強。在MNES狀態下，腦區間主耦合方向主要是由患側前額葉指向雙側運動區和枕葉區域，這一結果說明MNES可以促進患側前額葉在功能網絡中的調節作用。此外MNES可激發患側手部的收縮運動，在這一過程中，健側運動區指向患側運動區的耦合強度顯著下降。結果表明，MNES干預可導致大腦資源重新分配和誘發腦卒中患者的皮質可塑性變化。因此，研究腦卒中患者MNES引起的皮質連通性的變化，有助于我們進一步解MNES的神經作用機制。
 
參考文獻：Congcong Huo, Xinglou Li, jing Jing, Yanping Ma, Wenhao Li, Yanqin Wang, Wanlin Liu, Yubo Fan, Shouwei Yue, Yonghui Wang *, Zengyong Li *. Median nerve electrical timulation induced changes in effective connectivity in subjects with stroke as assessed with functional near-infrared spectroscopy[J]. Neurorehabilitation and neural repair (2019): 1545968319875952.