磁惊厥治疗后重度抑郁症患者静息态脑电图功能网络的改变

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 背 景 

磁惊厥治疗（Magnetic Seizure Therapy, MST）是一种适用于重度抑郁症患者（MDD）的安全且耐受性良好的治疗方法，其认知副作用非常小。然而，MST的潜在作用机制尚不清楚。本文使用静息态脑电图（RS-EEG）来表征MST对难治性抑郁症（TRD）患者的生理效应。

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 方法 

1、被试

本研究的MDD患者来源于一项大型开放标签的MST研究（包括难治性抑郁症、精神分裂症、强迫症患者）。

2、MST治疗

使用Mag Pro的MST治疗设备。MST两个刺激线圈分别位于前额叶位置（国际10-20系统），从而使产生的电场分布在两侧额叶皮质，且在顶点附近产生最大值（图1）。每周进行2-3次治疗，直到满足抑郁症状的缓解标准（HDRS-24评分≤10，且连续两次评估抑郁症状减分率≥60%），或做完24次治疗。

图1 MST治疗时大脑皮层的电场分布

3、EEG记录和数据处理

在MST治疗前一周内收集MDD的RS-EEG，并在疗程结束后不久的随访中记录RS-EEG（从最后一次治疗到最后一次RS-EEG记录的平均天数：3.81，SD：3.86）。使用64导的脑电帽，记录闭眼10分钟的静息脑电图。采样率降为1000Hz，带通滤波1-70Hz，带阻滤波58-62Hz，每3s进行分段。最后进行重参考，全脑平均。

4、功能连接

基于功能相位的连通性是使用加权相位滞后指数（wPLI）的去偏估计进行计算。对所有电极对进行分析，然后在每个单独的频带（delta到gamma）上平均结果，得到每个受试者每个单独频带的连接强度60（通道）×60（通道）加权矩阵。选择去偏wPLI方法作为连通性度量，因为它提供了电极间相位同步的保守和可靠的估计，并最小限度地减少了体积传导导致的虚假连通性值（即零或π相位滞后值）对结果的影响。

5、网络拓扑结构

在图论中，网络被定义为一组由边连接的节点。对于目前的数据，每个电极代表一个节点，而边对应于电极对之间的连接强度。使用BCT Matlab工具箱，使用阈值二进制无向矩阵进行分析。阈值化对于减少潜在的虚假低权重连接的影响和强调网络的关键拓扑特性均有用。

本文使用了一个数据驱动的阈值，该阈值设置在中值连接性值以上一个标准差，这是从每个单独频带的所有受试者/时间点的合并矩阵中计算出来。将阈值上的连接值设置为1，阈值下的连接值设置为0，从而使矩阵二值化。然后根据常用的聚类系数C和特征路径长度L对网络进行表征。C是对网络内功能隔离的度量，并提供了对局部网络连接性或派系性的度量。相反，L是功能整合的度量，它被定义为连接网络内任何一对节点的平均最小连接数。较短的路径长度与网络内并行信息流的较高效率有关。重要的是，这两个指标一起提供了与网络“小世界”属性有关的信息。

6、功率谱

RS-EEG功率谱通过快速傅里叶变换（1-55Hz，频率分辨率为0.5 Hz）进行计算。然后在每个频带（1-3Hz）、theta（4-7Hz）、alpha（8-12Hz）、beta（13-29Hz）和gamma（30-55Hz）取平均功率值，并对所有试验的功率值进行平均。

7、数据分析

连通性分析使用基于网络的统计数据（NBS），这是一种用于在大型脑网络中进行统计比较，并使用一种非参数方法在控制多重比较的同时产生良好的统计功效。简单地说，首先为加权网络中的节点对之间的每个连接（边）确定一个主要的阈值（测试统计量）。这是一种保守设定（t=3.5，p<0.01），以确保只包括稳健的连通性差异。然后对剩下的阈上连接进行FWE控制置换检验（置换5000次）。随后使用大脑网络查看器工具箱对大脑网络进行可视化。

使用由C和L组成的基于全局图的测量值来比较MDD队列中MST前后的连通性网络，根据NBS结果，发现具有显著差异的频带。使用基于非参数聚类的排列分析来评估RS-EEG功率的统计学差异。最后，使用受试者工作特征（ROC）分析对显著的神经生理测量变化与应答者状态（使用基线评分变化[POST - PRE]）之间进行预测关联（应答者指治疗完成后HDRS-24减分率大于50%的受试者）。

图2 EEG数据清洗与分析过程

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 结 果 

1、被试基本信息

被试人口学和临床特征信息详见表1。

收集了21名患者在MST治疗前后完整的EEG数据集。

图3 原始临床试验流程图

2、功能连接

当比较MDD患者MST治疗前后时，NBS分析发现theta和beta波段的连通性显著改变。本文发现了一个由横跨12个节点的13条边组成的单个子网络（p = 0.003），表明theta连通性在额叶和右侧顶-枕叶通道之间扩展的网络拓扑连接增加，并跨越到左侧顶叶-中央区域。在beta波段，发现了一个由横跨24个节点的35条边组成的单个子网络（p = 0.002）。通过对theta连通性变化（形成显著子网络的所有连接平均值）与HDRS-24评分变化之间的ROC曲线分析，敏感性为89%，特异性为67%（AUC=0.787，p=0.028）。在比较MDD基线和健康被试时，没有发现显著的连通性差异（均为p > 0.05）。

图4 a. 在MST之后，观察到一个theta连通性增加的子网络，以及一个beta连通性降低的子网络。 b. ROC结果。

3、网络拓扑结构

经MST治疗后，在theta波段，聚类系数C增加（t（20）=−3.605，p=0.002，d=−787），而特征路径长度L下降（t（20）=2.963，p=0.008，d=0.647）。在beta波段，C下降（t（20）=4.299，p<0.001，d=0.938），但L在多重比较校正后未观察到变化（t（20）=−2.649，FDRp=<0.05，d=−578）。

图5 MDD患者的theta和beta波段基于图的网络拓扑度量（聚类系数C和特征路径长度L）的差异

4、功率谱

基于聚类的分析显示，经MST治疗后，delta（p = 0.008）和theta（p = 0.006）的功率跨越两个半球的前、中、后通道广泛增加。这也伴随着额叶、中央和顶叶通道的gamma功率下降（p < 0.001）。MDD和健康被试在任何频带之间都没有显著差异。

图6 b. MDD患者在MST治疗前后以及健康对照受试者的功率谱（Fz电极）图。c. 显示MDD在MST治疗后delta、theta和gamma功率变化的地形图。

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 讨 论 

经颅磁刺激是一种非侵入性的抑郁症治疗方法，与MST一样，能够通过时变磁脉冲调节皮质活动。Bailey等人表明，静息状态theta连通性的升高可以区分经颅磁刺激治疗的有应答者和无应答者。rTMS的应答者引起了RS-EEG theta连通性升高，识别的子网络跨越额顶和顶枕区域。在另一项研究中，Bailey等人分析了工作记忆任务中记录的脑电图进一步显示应答者与任务相关的theta连接增加，同样具有跨越前后通道的拓扑结构。这些发现，证明在相似脑区theta连接的增加，提出了MST和经颅磁刺激治疗MDD相关的潜在机制，有助于进一步阐明它们在抑郁症相关回路中的神经生物学作用模式。

经MST治疗后，theta波段内的网络结构显示出功能分离（高C）和整合增加（低L）的模式。这反映了网络中更多的派系性，有利于分离的神经加工，同时也促进了大脑区域之间的交流。对这些发现的一个常见解释是增加的小世界结构，理论上是大脑区域隔离信息有效同步的基础。相反，beta波段的C减少表明大脑内不那么专业化（局部）处理的倾向。健康被试和MDD基线之间没有任何差异，这与之前在功能神经成像研究中报道的结果一致，可能与样本异质性和使用的特定基于图的模式有关。

本文报告的theta和delta光谱功率的增加证实了惊厥治疗后的观察结果，特别是电休克（ECT）中。然而，在MST后也有类似变化的报道，通常是在惊厥发作消失后不久。因此，theta和delta功率的增加似乎代表了一定程度的发作后持续变化，与ECT治疗后的报道相似。在接受ECT或MST的MDD受试者组成的部分重叠队列中，更高（> 18 Hz）频率的功率降低，这与本文观察到的gamma（30-55Hz）波段的光谱功率降低一致。重要的是，除了许多过去的MST文献报道了发作或发作后立即的发现外，本文的结果为MST治疗后光谱功率更持久的定量变化提供了进一步证据。

 思 考 

本研究存在以下不足：（1）未设置治疗对照组，如与MECT或rTMS对照；（2）未排除MST治疗中药物的相互作用；（3）本文将25Hz，50/60Hz，100Hz的MST治疗前后脑电数据合并分析，未分开分析。

原文：Hill A T, Zomorrodi R, Hadas I, et al. Resting-state electroencephalographic functional network alterations in major depressive disorder following magnetic seizure therapy[J]. Progress in Neuropsychopharmacology and Biological Psychiatry, 2021, 108: 110082.

翻译：仝玉杰

审核：李  月

排版：毛悟宇