引用本文

李昕, 王欣, 安占周, 蔡二娟, 康健楠. 基于脑功能网络分析的孤独症儿童辅助干预效果研究. 自动化学报, 2021, 47(11): 2654-2663 doi: 10.16383/j.aas.c180707

Li Xin, Wang Xin, An Zhan-Zhou, Cai Er-Juan, Kang Jian-Nan. Study on the effect of autistic children's auxiliary intervention based on brain functional network analysis. Acta Automatica Sinica, 2021, 47(11): 2654-2663 doi: 10.16383/j.aas.c180707

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c180707

关键词

孤独症, 经颅直流电刺激, 脑功能网络, 定向传递函数 

摘要

脑功能网络是分析复杂网络之间连接关系的一种有效方法, 对脑功能障碍分析具有重要意义. 本文基于频域Granger因果分析的定向传递函数(Direction-transfer function, DTF), 构建了各频段的脑功能网络. 采用图论方法分析最佳阈值下经颅直流电刺激(Transcranial direct current stimulation, tDCS)干预前后孤独症(Autism spectrum disorder, ASD)儿童脑网络的平均度、全局效率和平均局部效率等特征, 并对比了经颅直流电刺激对孤独症儿童脑功能状态辅助干预效果. 结果发现刺激前组在各频段的图论特征均低于刺激后组(P<0.05P<0.05), 其中Theta频段和低-beta频段的局部效率统计性差异显著, 表明在一定程度上tDCS干预是ASD儿童治疗的有效手段.

文章导读

2014年美国疾病控制与预防中心(Center for Disease Control and Prevention, CDC)发布最新数据指出: 孤独症发病率已经达到了1 : 45, 即每45个儿童中就有一人是ASD患者[1]. 孤独症谱系障碍是一种严重的发育障碍性疾病, 其基本特征是社会交流障碍、语言交流障碍、重复刻板行为. 不典型孤独症则在前述三个方面不全具有缺陷, 只具有其中之一或之二. 不仅对患者本人及其家庭乃至社会都造成极大影响[2]. 对于孤独症儿童, 早发现早干预至关重要[3-4].

研究者发现ASD与脑结构改变及脑功能网络异常的拓扑变化有关, 在ASD人群静息态脑电中体现出了这种异常或连接障碍[5]. 孙小棋等[6]通过实验证明孤独症前颞叶和后顶叶的脑电信号呈现出的复杂性明显低于正常, 这一结果表明ASD和正常人之间脑电信号存在差异性, 且不同脑区敏感程度不同. Bressler等[7]研究表明, 认知是由在大规模网络中运作的分布式脑区的动态相互作用引起的. Murias等[8]在2007年, 通过对ASD儿童静息态脑电的研究发现, 在Theta (3 ～ 6 Hz)频率范围内, ASD组尤其是左侧额叶和颞叶区的相干增强明显. 在较低的Alpha范围(8 ～ 10 Hz), ASD组在额叶区域和额叶与其他头皮区域之间的一致性明显降低. 提示ASD患者存在明显的脑连通性异常. 2014年, Coben等[9]运用Granger因果分析方法计算ASD人群的脑网络各通道间的效应连接, 结果表明ASD人群的脑功能网络短距离过度连接、长距离连接不足. Green等[10]发现孤独症患者大脑网络与正常人相比有改变, 对于这种改变的静息状态连接如何与大脑在信息处理过程中的活动有关的. 2016年, 孙金秀[11]基于图论参数对比ASD儿童和正常儿童脑网络差异, 结果发现这种差异在高频段更为显著, 且ASD儿童的脑网络连接密度更低. 大脑是具有多个层次、多种反馈机制和整合机制的复杂系统, 并且脑功能网络都表现出较其他实证网络更加良好的鲁棒性, 因此, 依据基于图论参数的脑功能网络分析方法, 可以为改善脑功能障碍提供不同的方向.

神经调节技术早期干预ASD是一种有效方法. Schneider和Hopp[12]将tDCS应用于孤独症儿童治疗, 通过修改过的双语测试(BAT)对患儿进行语法测试, 结果表明tDCS前后差异有显著性意义(p<0.0005, d=2.78), 表明tDCS干预对孤独症儿童脑功能障碍有一定改善. Amatachaya等[13]对20例孤独症儿童进行随机双盲交叉试验, 结果表明进行tDCS真性刺激的患儿治疗后儿童孤独症评定量表(Children autism rating scale, CARS)和孤独症治疗评估量表(Autism treatment evaluation checklist, ATEC)得分均有改善, 而假性刺激组未见改善. 这些研究发现为tDCS的临床及科研发展提供理论基础.

本文采用频域Granger因果分析定向传递函数方法建立脑功能网络, 通过计算各导联间因果连接矩阵, 构建Theta频段、Alpha频段、低-Beta频段、高-Beta频段和Gamma频段五个频段的脑功能网络. 基于脑功能网络, 进而分析经颅直流电刺激对于孤独症儿童干预效果.

图 2  刺激前组受试儿童各个频段的DTF连接矩阵图

图 3  刺激后组受试儿童各个频段的DTF连接矩阵图

图 4  间接因果关系示意图

本文基于定向传递函数方法, 构建孤独症儿童经颅直流电刺激前后脑功能网络. 基于图论复杂网络分析方法对所构建的因果网络进行量化分析, 计算脑功能网络DTF矩阵值. 分析选择最佳阈值, 将DTF矩阵转化为二值有向图, 研究网络的平均度、全局效率和局部效率等网络特性参数, 经t检验统计分析两组数据统计性差异. 探究经颅直流电刺激干预对孤独症儿童脑功能网络的影响.

作者简介

李昕

燕山大学教授. 2008年获得燕山大学博士学位. 主要研究方向为医学信息处理, 情感计算. 本文通信作者. E-mail: yddylixin@ysu.edu.cn

王欣

燕山大学博士研究生. 2020年获得燕山大学硕士学位. 主要研究方向为医学信息处理和情感计算. E-mail: yddywangxin@163.com

安占周 

2019年获得燕山大学硕士学位. 主要研究方向为医学信息处理和情感计算. E-mail: 18332553763@163.com

蔡二娟

2018年获得燕山大学硕士学位. 主要研究方向为为孤独症儿童脑电信息的处理和计算. E-mail: 18233587424@163.com

康健楠

河北大学讲师. 2006年获得燕山大学硕士学位. 主要研究方向为孤独症儿童脑电信息处理. E-mail: kangjiannan81@163.com