0 引言

       2019年流行病学调查显示，脑卒中超过心脏病成为我国排名首位的过早死亡原因，其中缺血性脑卒中（ischemic stroke, IS）占比约为83.3%^{[1, 2]}，是主要的发病原因。同时，脑卒中并发症也极大地影响患者的预后和生活质量^{[3, 4]}，认知障碍是IS最主要的并发症之一，占比超过80%^[5]，可导致认知损害、行为异常、痴呆等症状^[6]。因此，及时有效的卒中后康复治疗对于改善IS患者的认知功能具有重要意义。在常规康复治疗手段如认知训练、药物治疗之外，经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）是一种安全的卒中后康复治疗手段，当前研究显示tDCS可以改善IS患者的认知能力，如改善评估与决策能力^[7]、失语症^[8]、注意力与记忆障碍^[9]等症状。有学者发现对IS患者进行tDCS结合常规康复治疗相较于单纯进行常规康复治疗，可以获得更好的认知康复治疗效果，在认知相关量表评分的改善值更大^{[10, 11, 12]}，具有较高的临床应用前景。

       静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）基于血氧水平依赖（blood-oxygen level-dependent, BOLD）技术，通过血液动力学的改变反映神经系统的病生理活动，被广泛地应用于临床^{[13, 14, 15, 16]}。有学者发现，tDCS治疗可以引起轻度认知障碍患者的分数低频振幅，局部一致性等rs-fMRI指标的改变，并且与认知评价量表改善具有相关性^{[17, 18]}。然而，当前国内外关于tDCS改善认知功能的研究主要关注局部脑区激活或功能连接的改变，而人脑是一个复杂的系统，其功能的实现需要各脑区之间神经元的相互协调与配合^[19]，而tDCS对于IS患者脑功能网络的影响尚不明确。近年的神经学研究强调了分布式网络在大脑中的重要作用，图论已被引入作为研究中枢神经系统功能的方法，探究脑组织损伤后的大脑功能网络的重组^{[20, 21, 22]}。人脑的图论研究通常以脑区作为节点，脑区之间的相关性作为连边，通过量化多个网络拓扑属性指标来描述人脑的网络连接模式^[23]，该方法为探究tDCS对于大脑功能网络的影响提供了新的方向。因此，本研究基于rs-fMRI，采用图论分析的方法对IS患者tDCS治疗前后的功能网络拓扑属性进行分析，探讨tDCS治疗对于脑功能网络的影响，为阐明tDCS对于改善IS患者认知功能的机制提供一定的影像学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       收集2021年10月至2024年1月就诊于首都医科大学附属北京潞河医院神经内科的IS患者51例。在入组前由1名有8年工作经验的康复科主治医师对患者进行简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）量表与蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）量表评估，确认存在轻度或以上认知功能障碍。纳入标准：（1）受试者年龄35~75岁，右利手；（2）发病时间14天内且为首次发病；（3）IS病灶位于基底节区，病灶大小0.3 cm~1.5 cm；（4）可以配合完成MRI检查及认知量表评估。排除标准：颅内存在IS之外的严重病变。入组受试者在IS急性期治疗结束转入康复科后进行本研究，记录患者的年龄、性别、受教育年限、发病时间等人口统计学资料，随机分配到电刺激组与对照组，最终纳入电刺激组26人，对照组25人。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，已通过首都医科大学附属北京潞河医院医学伦理委员会批准，批准文号：2022-LHKY-007-01，全体受试者均签署了知情同意书。

1.2 常规康复治疗与tDCS治疗

       两组受试者均接受连续15天的常规康复治疗，包括药物治疗和每日1小时的认知和言语康复训练。使用tDCS刺激仪（EM Medical医疗科技）对电刺激组患者进行电刺激治疗。刺激电流设为2 mA，电极阳极置于IS病灶背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）区域，阴极置于对侧额叶区域。治疗频率为每日早晚分别进行1次30 min的电刺激治疗，连续治疗15日，对照组正常贴附电极片，但将刺激电流设置为0 mA，治疗结束后再次进行MMSE与MoCA量表评估。

1.3 磁共振数据采集

       采用3.0 T超导型磁共振设备（上海联影医疗科技，型号：uMR 780），24通道相控阵头颈联合线圈进行MRI数据采集。MRI检查过程中要求受试者闭眼，不进行任何思维活动。分别采集BOLD-fMRI和3D-T1WI结构像。序列参数见表1，所有受试者在入组时和15天的治疗结束后分别进行BOLD-fMRI和3D-T1WI序列成像。

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表1  MRI 扫描序列及参数
Tab. 1  MRI scanning sequence and parameters

1.4 rs-fMRI数据预处理与脑网络指标计算

1.4.1 数据预处理

       使用MRIcroGL V1.2.2软件（https://www.nitrc.org/projects/mricrogl/）将DCM格式图像转换为4D NIfTI格式。基于Matlab 2023a，使用图论网络分析GRETNA（Graph Theoretical Network Analysis）软件（http://www.nitrc.org/projects/gretna/）进行rs-fMRI数据预处理。处理步骤包括：去除前10个时间点的BOLD-fMRI数据、时间层校正、头动校正（在此步骤进行图像质量控制，以头动平移>3 mm或旋转>3°的标准剔除电刺激组患者3例，对照组患者4例）、空间标准化、回归协变量以及低频滤波处理。

1.4.2 脑功能网络拓扑参数计算

       应用GRETNA软件，以解剖学自动标记（anatomical automatic labeling, AAL）脑图谱为模板，将大脑皮层分为90个脑区节点，节点的数值为该脑区内所有体素的BOLD时间信号强度平均值。设置稀疏度阈值范围0.05~0.40，步长为0.02，分别计算不同稀疏度阈值下大脑功能网络的拓扑属性。其中全局水平指标包括：全局效率（global efficiency, Eg）、聚类系数（nodal clustering coefficient, Cp）、最短路径长度（shortest path length, Lp）、标准化最短路径长度（normalized shortest path length, λ）、标准化聚类系数（normalized clustering coefficient, γ）、小世界属性系数（small-worldness, σ），其中σ=γ/λ；局部水平指标包括：节点效率（nodal efficiency, Enodal）以及节点聚类系数（nodal clustering coefficient, Cp nodal）。拟合网络拓扑属性各指标受试者工作特征曲线并计算曲线下面积（area under the curve, AUC）值。

1.5 统计学分析

       人口统计学与量表采用SPSS 27.0进行统计分析，电刺激组与对照组的性别采用χ²检验；认知量表评分、受教育年限、年龄、发病时间等根据正态性与方差齐性分别采用两独立样本t检验或Mann-Whitney U检验。应用GRETNA软件的网络与节点（Network and Node）统计学分析模块对电刺激组与对照组在治疗前后的全局与局部网络拓扑属性AUC值进行配对样本t检验，设置P<0.05，FDR校正。应用Pearson相关性分析对具有统计学显著性差异脑网络拓扑属性指标与量表评分进行评价。

2 结果

2.1 一般资料

       两组受试者的年龄（Z=1.21，P=0.23）、性别（χ²=0.22，P=0.63）、受教育年限（Z=1.13，P=0.26）、发病时间（Z=0.67，P=0.52）差异均无统计学意义（P>0.05）。认知量表评分结果显示，电刺激组与对照组治疗后MMSE与MoCA量表评分均显著性升高（P<0.05）；对比两组受试者的量表评分在治疗前后的增加值，发现电刺激组治疗后量表评分的改善更大（P<0.05），见表2。

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表2  电刺激组与对照组在治疗前后MMSE与MoCA量表评分的差异
Tab. 2  Differences in MMSE and MoCA scores between the electrical stimulation group and the control group before and after treatment

2.2 全局拓扑属性结果

       电刺激组受试者治疗后相较于治疗前，Eg、γ的AUC值升高，差异具有统计学意义（P<0.05，FDR校正）；Cp、Lp、λ、σ的AUC值差异无统计学意义，见表3、图1A。对照组受试者治疗后相较于治疗前，Eg、Cp、Lp、λ、γ、σ的AUC值差异均无统计学意义，见表3、图1B。

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图1  电刺激组与对照组的脑功能网络全局属性指标柱状图。1A：电刺激组在治疗前与治疗后的全局属性指标柱状图，Eg与γ在治疗后出现升高，差异具有统计学意义，*表示P＜0.05。1B：对照组在治疗前与治疗后的全局属性指标柱状图，治疗后指标未见统计学显著性差异。Eg：全局效率；Cp：聚类系数；Lp：最短路径长度；λ：标准化最短路径长度；γ：标准化聚类系数；σ：小世界属性系数。
Fig. 1  Global properties bar chart of brain functional networks between the electrical stimulation group and the control group. 1A: The global properties indicators of the electrical stimulation group before and after treatment showed an increase in Eg and γ after treatment, and the difference was statistically significant, *: P<0.05. 1B: Bar chart of global properties indicators in the control group before and after treatment, with no significant difference observed in the indicators after treatment. Eg: Global efficiency; Cp: clustering coefficient; Lp: shortest path length; λ: Standardized shortest path length; γ: Standardized clustering coefficient; σ: Small world attribute coefficient.

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表3  电刺激组与对照组脑功能网络全局拓扑属性的差异
Tab. 3  Differences in global topological properties of brain functional networks between the electrical stimulation group and the control group

2.3 局部拓扑属性结果

       电刺激组受试者治疗后相较于治疗前，左侧三角部额下回（IFGtriang.L）节点效率 Enodal升高（P<0.05，FDR校正）；左侧眶部额上回（ORBsup.L）和左侧中央后回（PoCG.L）的节点集聚系数Cp nodal升高（P<0.05，FDR校正）。对照组受试者未见统计学显著性差异脑区，见表4、图2。

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图2  电刺激组在治疗前后具有统计学差异的局部属性指标柱状图及相应的脑区位置示意图。*表示P<0.05，FDR校正。Enodal：节点效率；Cp nodal：节点聚类系数；IFGtriang.L：左侧三角部额下回；ORBsup.L：左侧眶部额上回；PoCG.L：左侧中央后回。
Fig. 2  The bar chart of local properties indicators with statistical differences between the electrical stimulation group before and after treatment, and corresponding schematic diagram of brain region location. *: P<0.05, FDR corrected. Enodal: nodal efficiency; Cp nodal: nodal clustering coefficient; IFGtriang.L: left inferior frontal gyrus of the trigone; ORBsup.L: left superior frontal gyrus of the orbit; PoCG.L: left central posterior gyrus.

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表4  电刺激组脑功能网络局部拓扑属性的差异
Tab. 4  Differences in local topological properties of brain functional networks in the electrical stimulation group

2.4 脑网络拓扑属性与认知量表相关性分析

       电刺激组受试者在治疗后，Eg增加的值与MMSE量表评分的改善值呈正相关（r=0.47，P=0.02），见图3。其他全局或局部拓扑属性结果与MMSE、MoCA量表评分均无显著相关性。

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图3  电刺激组受试者在治疗前后Eg指标AUC值变化量与MMSE量表评分改善值的相关性。Eg：全局效率；AUC：曲线下面积；MMSE：简易精神状态检查。
Fig. 3  The correlation between the change in AUC value of Eg and the improvement in MMSE scale score before and after treatment in subjects in the electrical stimulation group. Eg: Global efficiency; AUC: area under the curve; MMSE: Mini-Mental State Examination.

3 讨论

       本研究应用图论的方法对IS患者在tDCS治疗前后的脑网络拓扑属性进行分析，并与认知评价量表进行相关性分析，探讨tDCS治疗对于认知功能的康复效果以及对大脑功能网络的影响。研究结果显示：（1）电刺激组和对照组受试者在治疗后，MMSE、MoCA量表评分均出现显著性改善，其中电刺激组的改善更大，显示tDCS治疗可以更好地改善IS患者的认知功能；（2）脑功能网络拓扑属性结果显示，tDCS治疗可以提高IS患者的全局指标Eg和γ，以及提高额顶叶部分脑区的局部指标，如Enodal和Cp nodal；（3）治疗前后Eg的变化量与MMSE量表评分的变化值呈现正相关。这些发现揭示了tDCS对于改善IS患者认知功能的作用，以及对大脑功能网络拓扑属性的影响，对于未来IS患者的康复治疗计划制订以及治疗效果的预测具有重要意义。

3.1 MMSE、MoCA量表分析

       MMSE和MoCA量表可以反映受试者的认知功能，并根据量表评分将受试者的认知障碍程度进行分级^{[24, 25]}。本研究入组的IS患者均存在轻度或以上的认知功能障碍。研究结果显示电刺激组与对照组的受试者在治疗后上述两量表的评分均出现了提高，提示患者的认知功能得到了增强。考虑到电刺激组与对照组的受试者均接受了药物治疗、言语和认知康复训练等常规康复手段，以往研究显示这些治疗方法对患者的认知功能存在积极作用^{[26, 27]}，因此可能是两组受试者认知量表评分均出现显著性升高的原因；进一步对比两组受试者治疗前后认知量表评分的改善值，显示电刺激组在MMSE、MoCA量表的评分改善均优于对照组（P<0.05）。原因可能为电刺激组接受了连续的tDCS治疗，通过流经患侧DLPFC与对侧额叶电极间的直流电对神经元进行刺激，增强神经元的兴奋性。在WANG等^[9]的研究中，通过网络荟萃分析对比了多种神经刺激技术在改善认知障碍的效果，结果显示应用tDCS对患者双侧DLPFC进行电刺激可以显著改善患者的认知功能，包括改善注意力障碍，增强记忆能力（标准化均数差为6.38；95%置信区间为3.51~9.25），与本研究结果相符。

3.2 脑功能网络拓扑属性分析

       人脑是一个复杂的系统，通过神经元之间局部的功能连接和全局的功能整合实现认知功能^[28]。因此虽然IS的损伤发生在局部，但可能会影响远处大脑区域的功能和结构连接，进而对认知功能产生影响^[29]。脑网络拓扑分析通过多个全局和局部属性指标可以有效衡量大脑的沟通效率与信息传递能力^[30]。在VECCHIO等^[31]的研究中，发现大脑中动脉梗阻所引发的脑卒中会导致小世界属性σ以及全局效率Eg相较于正常人的下降。本研究纳入的基底节区域IS患者的责任血管同样为大脑中动脉，且电刺激组在治疗后Eg同样出现升高，与该研究相符，经相关性分析，发现Eg在治疗后的升高值与MMSE量表评分的改善值呈现正相关，推测tDCS治疗所引起的全局信息传递效率的改善可能是IS患者认知功能恢复的原因。此外，电刺激组在治疗后还发现标准化聚类系数γ升高，根据小世界属性计算公式σ=γ/λ，γ是小世界属性相关指标，反映整体网络节点之间的连接程度，其指标的升高与脑功能区之间或内部的神经活动一致性增强相关^[30]，推测γ的升高对神经功能的恢复可能存在积极作用。电刺激组治疗后σ指标均值升高，但未发现差异具有统计学意义，推测原因为σ反映脑网络中模块内与模块间的综合信息处理效率^[22]，IS患者康复治疗后虽然认知功能出现改善，但仍然与健康人存在差异，从而导致σ的改善轻微。在局部拓扑属性指标方面，电刺激组治疗后左侧三角部额下回的Enodal升高，左侧眶部额上回和左侧中央后回的Cp nodal升高。前额叶是认知过程的重要脑区之一，与语言、个人感受、语义处理、情绪调节等认知活动高度相关^{[32, 33]}。本研究中tDCS治疗的靶点设置于额叶DLPFC区域，与局部属性升高区域相符，因此上述脑区指标的升高可能与电流刺激有关，与试验预期相符。

3.3 局限性

       尽管本研究发现了tDCS治疗对于IS患者功能网络拓扑属性的影响，但仍然存在以下几点不足：（1）本研究入组的IS患者病例数较少，可能会导致统计学结果的部分偏倚；（2）本研究仅探讨在15天的治疗周期内的认知功能与功能网络拓扑属性的改善情况，但tDCS治疗可能存在一定的短期效应，本研究的结果是否具有持续性，将在后续的研究中进一步探讨。

4 结论

       本研究发现tDCS治疗可以改善IS患者的认知功能，应用功能网络拓扑属性分析发现tDCS治疗可能有助于提高脑区节点之间的整体功能网络连接与局部通信效率，表现为全局与局部拓扑属性的变化。尤其发现Eg在治疗后的升高值与MMSE量表评分的改善值呈正相关，显示全局网络之间的沟通效率可能是认知功能康复的有效预测指标，上述发现为阐明tDCS对于改善IS患者认知功能的机制提供一定的影像学依据。