通过异侧前额叶经颅光生物调节技术对静息状态脑网络拓扑结构进行神经调控

时间：2026年2月13日

来源：Neuroscience

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本研究探讨异侧前额叶皮层810nm经颅光生物调节（tPBM）对脑功能网络的影响差异。通过18名健康右利手受试者的双盲实验，比较左右侧刺激后EEG数据的功能连接及图论分析，发现右侧tPBM在delta、theta、beta波段显著增强长程连接，并改变全局拓扑系数；左侧则主要影响theta波段，导致局部网络连接变化。该研究为个性化神经调控治疗提供了新证据。

李立聪|杜兆宁|王坤|李学秀|张福宽|张广海|熊鹏|刘秀玲

河北省数字医学工程重点实验室，河北大学，保定071002，中国

摘要

本研究旨在探讨左右前额叶经颅光生物调节（tPBM）对大脑功能网络的不同影响，并量化从EEG数据构建的功能性大脑网络在异侧目标刺激下的神经调节反应。18名健康、年轻的右撇子参与者在3周的时间内参加了两次tPBM治疗。治疗前后收集了静息状态EEG数据。通过相干性测量功能连接性，并应用图论分析（GTA）来评估δ、θ、α和β波段的全局和局部网络拓扑结构。针对右前额叶皮层的810纳米tPBM显著增强了δ、θ和β波段的长距离功能连接性，提高了δ波段的全局聚类系数，同时降低了α波段的聚类系数。相比之下，左前额叶tPBM主要影响θ波段的连接性，增加了δ波段的全局聚类系数，并减少了右中央区和右颞区的节点聚类。

研究结果表明，左右前额叶810纳米tPBM都会引起大脑网络拓扑结构的显著神经生理变化。然而，神经调节效应在不同的大脑功能连接性以及全局和局部网络拓扑层面存在差异。这些发现为异侧目标tPBM刺激对大脑网络的影响提供了新的见解，并表明左前额叶tPBM可能是治疗神经精神疾病的潜在选择。

引言

经颅光生物调节（tPBM）是一种非侵入性神经调节技术，利用波长在600至1400纳米范围内的激光或发光二极管（LED）簇将近红外（NIR）光传递到大脑（Hamblin, 2016）。tPBM的机制主要归因于细胞色素c氧化酶（CCO）对光子的吸收，CCO是线粒体呼吸链中的关键色素（Pruitt等，2020；Wang等，2017；Maghfour等，2024）。红光到近红外光谱（620–1100纳米）的光线可以增强CCO的活性，促进ATP的产生并增加大脑氧气消耗，从而支持代谢增强（Hamblin, 2017）。tPBM在治疗创伤性脑损伤（Chao等，2020；Hamblin, 2016；O'Leary等，2025）、精神或神经系统疾病（Cassano等，2018；Chan等，2021；Nizamutdinov等，2021；Guu等，2025）以及提高健康个体的认知能力（Zhao等，2022；Lee和Chan，2024）方面显示出良好的效果。尽管在体外、体内和临床研究中取得了积极的结果，但关于tPBM对细胞或大脑的生物物理效应仍存在一些争议（Huang等，2009；Huang等，2011）。在各种照明参数（包括波长、治疗时间、光照强度、刺激持续时间或脉冲结构）之间做出明智选择的复杂性导致了既有负面也有正面的研究结果，这阻碍了个性化治疗的实现。

刺激目标是实现个性化光疗的关键参数。一些研究采用全面的方法，对整个头部进行刺激（Berman等，2017），或者特别探索了三个默认模式位置（Zomorrodi等，2019），而右前额叶已成为许多tPBM方案中的主要刺激目标（Ghaderi等，2021；Vargas等，2017；Wang等，2021；Wang等，2022）。这一趋势凸显了右前额叶作为tPBM研究中的关键刺激目标的广泛采用。然而，左右半球的功能不对称性是在选择刺激目标时需要考虑的重要问题。先前的研究表明，人类大脑存在结构和功能上的半球不对称性（Hassanin等，2021；Scholkmann等，2020），这可能导致异侧神经调节下的不同神经反应。经颅静态磁场刺激（tSMS）对背外侧前额叶皮层（DLPFC）的神经网络振荡的调节效应在不同半球侧具有区域性差异。在左侧DLPFC-tSMS期间，枕叶皮层的α波功率增加，而右侧前额叶皮层的β波功率增加；右侧DLPFC-tSMS则导致刺激后前扣带回皮层的θ波功率增加（Sheffield等，2019）。对于光生物调节，当前的研究尚未阐明不同侧在大脑刺激下的反应差异。解决这一问题与理解tPBM的机制密切相关，从而建立精确的tPBM治疗方案。

许多研究表明，tPBM的神经调节机制涉及大脑功能网络的变化（Urquhart等，2020）。基于图论的拓扑网络分析为揭示神经调节机制提供了创新且稳健的数学框架（Niu和He，2014；Centeno等，2022）。tPBM调节神经振荡节奏并影响大脑网络拓扑结构（Wang等，2019）。对右侧前额叶皮层进行短暂tPBM会破坏网络同步性并增加大脑信息处理的复杂性（Ghaderi等，2021）。此外，短暂刺激后前额叶的整体网络效率降低，同时中心性和局部整合性增强（Shahdadian等，2022）。事实上，神经和精神疾病的发生与大脑网络的异常有关，如抑郁症、阿尔茨海默病和强迫症（Brier等，2012；Leistedt和Linkowski，2013；Tan等，2022）。通过tPBM改善大脑网络功能正成为生物医学应用中的潜在治疗机制。然而，针对不同侧进行刺激后大脑功能网络的具体变化尚不清楚。

基于EEG的功能连接性分析的最新进展进一步证明了网络指标在表征大规模神经通信方面的价值。动态EEG连接性研究表明，网络拓扑的时间波动可以可靠地追踪认知状态的变化（如精神疲劳的恢复），并可以使用图论测量方法（包括全局和局部效率）进行定量评估（Xu等，2022）。同样，基于EEG的连接性特征，特别是基于相位滞后的同步指数，能够有效捕捉分布式皮层区域的协调活动，并在多个应用中优于单通道频谱特征（Chen等，2022）。这些发现突显了EEG功能连接性在检测快速、网络级调节方面的适用性。因此，我们使用静息状态EEG来表征异侧前额叶tPBM对大规模大脑网络组织的影响。基于这一原理，我们在tPBM前后记录了自发的EEG活动，以检查左右前额叶刺激的不同网络反应。tPBM提供了一种高空间精度的神经调节方法，不会在记录电极上产生典型的伪影（Wells等，2005a；Wells等，2005b）。之前的研究已经证明了在tPBM前后收集EEG的可行性（Cayce等，2009）。我们招募了18名健康志愿者对异侧前额叶皮层进行tPBM，以调节健康个体的神经振荡。在tPBM前后，量化了δ、θ、α和β频率带的功能性大脑网络。随后，我们应用图论分析来研究tPBM前后四个频率带的大脑网络的全局和局部拓扑特性。我们观察到，左右前额叶810纳米tPBM都对大脑网络拓扑产生了显著的后效应。此外，这两种tPBM方法对大脑网络在不同层面的影响也有所不同，包括功能连接性、全局网络拓扑和局部网络拓扑。这些差异可能导致不同的应用场景。这些结果为理解异侧目标tPBM刺激对大脑网络的影响提供了新的见解。

章节摘录

参与者

所有参与者都是来自河北大学的健康、年轻的右撇子学生。如果参与者有神经精神疾病的历史，则被排除在外。共有18名参与者（5名女性和13名男性）参与了这项研究。实验前，所有参与者都签署了知情同意书（该文件中解释了研究程序、tPBM方法的可能风险以及EEG等）。所有程序均得到了伦理委员会的批准。

左右前额叶tPBM对功能网络连接性的不同影响

图3显示了三个组在四个频率带（δ、θ、α和β）上的连接性差异的绝对值（治疗后-治疗前）。值得注意的是，左右前额叶刺激内的连接性变化在空间分布上有所不同，右侧tPBM组在整个皮层中显示出更广泛的调节模式。这些变化在不同频率带中也有所差异。在α频率带中，左侧tPBM组

讨论

为了量化810纳米左右前额叶tPBM对大脑功能网络的不同影响，本研究使用复杂的网络分析方法检查了四个基本节律带的静息状态EEG。计算了大脑网络的指标，以区分两个刺激部位之间的反应差异。我们详细检查了大脑网络在δ、θ、α和β波段对左右前额叶tPBM的差异性神经调节反应。

结论

这是首次尝试证明异侧前额叶tPBM对大脑功能网络拓扑的影响是多样的。我们的发现证实，左右前额叶810纳米tPBM都引起了大脑网络拓扑的显著神经生理反应。本研究表明，与左侧前额叶tPBM相比，右侧前额叶tPBM对大脑功能连接性的影响更为显著。在δ、θ和β波段的功能连接性中观察到了更多的变化。

伦理批准

本研究中涉及人类参与者的所有程序均符合国家和机构研究委员会的伦理标准，以及《赫尔辛基宣言》（1964年）及其后续修订案的伦理标准。所有参与者均已签署知情同意书。

CRediT作者贡献声明

李立聪：撰写——原始草案，监督，资金获取，数据管理。杜兆宁：撰写——原始草案，方法学，正式分析，数据管理。王坤：方法学，数据管理。李学秀：资源，数据管理。张福宽：正式分析。张广海：可视化，正式分析。熊鹏：监督，数据管理。刘秀玲：监督，项目管理，资金获取。