靜息態(tài)功能磁共振技術(shù)在針灸腦科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展*

王東巖，何 雷，宋 晶，楊海永

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)”列為八大科學(xué)前沿之一，腦科學(xué)研究已迎來黃金時(shí)代。針灸是中華民族傳承幾千年的綠色非藥物療法，療效肯定，并以其獨(dú)特的魅力和優(yōu)勢，在世界上183個(gè)國家和地區(qū)獲得應(yīng)用，針灸腦科學(xué)研究也必將成為醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)內(nèi)容[1]。

功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging,fMRI)作為一種無創(chuàng)、非侵入、高時(shí)空分辨率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合豐富的后處理軟件，可有效的反映人腦局部功能活動(dòng)變化情況以及腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩?，已廣泛應(yīng)用于針灸腦效應(yīng)的研究[2]。靜息態(tài)功能磁共振成像(Resting state functional fMRI,rs-fMRI)指的是受試者在清醒、閉眼、放松且無特定思維活動(dòng)的休息狀態(tài)下接受掃描，由于其具有操作簡單、分析方法多、更符合針灸效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，迅速成為針灸腦效應(yīng)研究的熱點(diǎn)。本研究現(xiàn)就rs-fMRI在針灸腦效應(yīng)研究中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 靜息態(tài)掃描模式在針灸腦效應(yīng)研究中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)針灸腦效應(yīng)的fMRI研究數(shù)據(jù)采集多為任務(wù)相關(guān)設(shè)計(jì)[3-4]，此設(shè)計(jì)雖曾廣泛應(yīng)用于針灸腦效應(yīng)研究，但其得出的腦激活結(jié)果，僅顯示了針灸的即刻效應(yīng)，時(shí)間短暫。而大量研究顯示，針灸存在持續(xù)效應(yīng)，其效應(yīng)甚至可能在針灸結(jié)束后較長時(shí)間才達(dá)到峰值[5-6]。且有研究認(rèn)為,針刺的持續(xù)效應(yīng)影響基線狀態(tài)的圖像信號(hào)，使傳統(tǒng)的通過刺激狀態(tài)減去基線狀態(tài)算法得到的結(jié)果不再可靠[7]。另一方面，由于現(xiàn)在的針灸腦效應(yīng)研究多針對患者展開，其對任務(wù)的配合存在困難，對結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)產(chǎn)生影響。

由于任務(wù)相關(guān)設(shè)計(jì)模式的不足，越來越多的研究者采用靜息態(tài)掃描模式。靜息態(tài)掃描模式與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，主要有兩點(diǎn)區(qū)別：首先是數(shù)據(jù)采集方式的不同，rs-fMRI數(shù)據(jù)是在受試者清醒、閉眼、放松且無特定思維活動(dòng)的休息狀態(tài)下進(jìn)行采集的；其次，任務(wù)相關(guān)設(shè)計(jì)多強(qiáng)調(diào)與任務(wù)相關(guān)的即時(shí)因果關(guān)系，rs-fMRI則反映任務(wù)結(jié)束后大腦靜息狀態(tài)下的實(shí)際自發(fā)活動(dòng)情況。靜息態(tài)掃描模式在針灸腦效應(yīng)研究中，相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，主要有以下優(yōu)勢：①rs-fMRI掃描操作簡單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的任務(wù)刺激，患者配合程度高，避免了因任務(wù)完成情況不同而出現(xiàn)的結(jié)果偏倚；②rs-fMRI數(shù)據(jù)分析方法更多，研究結(jié)果豐富，應(yīng)用價(jià)值大，在針灸中樞機(jī)制研究中有著特別的優(yōu)勢；③rs-fMRI相對于任務(wù)態(tài)設(shè)計(jì)更適應(yīng)針灸效應(yīng)的特點(diǎn)，其多在針灸結(jié)束后較長的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采集，此時(shí)大腦處于靜息狀態(tài)，更能夠真實(shí)反映機(jī)體由于針刺效應(yīng)而產(chǎn)生的腦功能變化。

2 rs-fMRI在針灸腦效應(yīng)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 生理狀態(tài)

2.1.1 穴位特異性研究 以健康受試者為研究對象，利用針灸刺激體表穴位，借助rs-fMRI技術(shù)觀察其中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)情況，探究腧穴的特異性。鐘治平等[8]針刺足三里發(fā)現(xiàn)，拔針后25 min受試者額葉、顳葉、枕葉及扣帶回等腦區(qū)局部一致性發(fā)生特異性改變，為足三里鎮(zhèn)痛、胃腸運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)等作用的中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制提供了影像學(xué)依據(jù)。Liu等[9]利用rs-fMRI觀察針刺陽陵泉對健康受試者腦功能區(qū)局部一致性的影響，發(fā)現(xiàn)針刺后前扣帶回、左顳回和右下頂葉等腦區(qū)局部一致性特異性增強(qiáng)，陽陵泉治療效應(yīng)的中樞機(jī)制是大腦網(wǎng)絡(luò)綜合作用的結(jié)果。

2.1.2 針感相關(guān)研究 針感，又稱作“得氣”“氣至”，一直在針灸臨床中備受關(guān)注，大量研究[10]表明，針感與針灸療效密切相關(guān)。張貴峰等[11]利用rs-fMRI探究內(nèi)關(guān)配外關(guān)針刺的中樞響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)關(guān)配外關(guān)得氣能夠特異性激活腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)腦區(qū)，且這些腦區(qū)與內(nèi)關(guān)、外關(guān)的主治作用密切相關(guān)。李臘梅等[12]利用rs-fMRI低頻振幅分析方法探究不同敏感體質(zhì)人群針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)的中樞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)易得氣人群的針刺鎮(zhèn)痛效果最好，不同體質(zhì)對針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)存在不同的腦網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制。

2.2 病理狀態(tài)

2.2.1 針灸治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究 基于rs-fMRI技術(shù)的針灸腦效應(yīng)研究多針對神經(jīng)系統(tǒng)疾病，這可能與神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病部位多位于腦，且針灸治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的療效確切，應(yīng)用廣泛有關(guān)。付彩紅[13]利用多元Granger因果分析法從多個(gè)靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)層面探究針刺陽陵泉改善卒中偏癱的中樞響應(yīng)機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)卒中患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及網(wǎng)絡(luò)間均存在異常變化，針刺能夠改善高級(jí)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)動(dòng)感覺網(wǎng)絡(luò)間的信息傳遞，促進(jìn)腦功能的重新整合，改善卒中偏癱癥狀。Li等[14]基于rs-fMRI觀察針刺對無先兆偏頭痛患者自發(fā)腦功能活動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)無先兆偏頭痛患者延髓頭端腹內(nèi)側(cè)區(qū)/三叉神經(jīng)頸復(fù)合體低頻振幅值異常降低，針刺治療能夠調(diào)整異常變化的腦功能活動(dòng)，使其趨于正常。Zheng等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，阿爾茲海默病患者海馬功能連接與臨床表現(xiàn)密切相關(guān)，針刺合谷、太沖能夠改善患者海馬與中央回的功能連接。

2.2.2 針灸治療精神及行為障礙疾病研究 由于精神藥物大多存在較嚴(yán)重的不良反應(yīng)，針灸治療此類疾病有著良好的療效，在精神及行為障礙疾病治療中廣泛應(yīng)用[16]。鄭成強(qiáng)等[17]觀察電針對創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙患者靜息態(tài)腦功能連接網(wǎng)絡(luò)的影響，結(jié)果顯示電針能夠調(diào)控海馬區(qū)功能連接，其改善創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙可能與增強(qiáng)海馬-頂葉功能連接及抑制海馬-海馬旁回功能連接有關(guān)。Yi等[18]利用靜息態(tài)低頻振幅探究針刺太沖治療抑郁癥的機(jī)制及其與額葉的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肝經(jīng)與額葉功能具有廣泛的相關(guān)性，這可能是針刺太沖改善抑郁癥狀的機(jī)制。

2.2.3 針灸治療消化系統(tǒng)疾病研究 雖然當(dāng)前rs-fMRI在卒中等器質(zhì)性疾病的針刺研究中應(yīng)用較多，但有研究者[19]認(rèn)為，針灸自身效能的特性決定其在功能性疾病研究中更具優(yōu)勢，針對功能性疾病的rs-fMRI研究具有廣闊的前景。李靜[20]的研究發(fā)現(xiàn),調(diào)神健脾針法能夠?qū)Ω篂a型腸應(yīng)激綜合征患者內(nèi)臟痛覺網(wǎng)絡(luò)、情緒調(diào)控網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生良性調(diào)節(jié)作用，這可能是其腸道、情緒癥狀兼治的中樞機(jī)制。

2.2.4 針灸鎮(zhèn)痛效應(yīng)研究 針灸鎮(zhèn)痛功效卓著，對其研究從未間斷，大都從分子生物學(xué)、基因組學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)等領(lǐng)域展開，針對針灸鎮(zhèn)痛效應(yīng)的rs-fMRI研究大有空間。Zhang等[21]利用rs-fMRI比較針刺同側(cè)和對側(cè)條口穴改善慢性肩痛的中樞響應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)前扣帶皮層可能在對側(cè)針刺中發(fā)揮直接作用，而腦干-丘腦皮層的通路可能會(huì)在同側(cè)針刺中發(fā)揮作用。宋云娥等[22]發(fā)現(xiàn),艾灸關(guān)元穴能夠引起原發(fā)性痛經(jīng)患者的多個(gè)疼痛相關(guān)腦區(qū)低頻振幅值的變化，這可能是其鎮(zhèn)痛效應(yīng)的中樞機(jī)制。

3 基于rs-fMRI的針灸腦效應(yīng)研究常見問題探討

3.1 樣本量的選擇

樣本量大小對rs-fMRI研究結(jié)果的影響十分明顯，但由于rs-fMRI圖像數(shù)據(jù)采集及分析的復(fù)雜性和特殊性，其樣本量無法按照一般的臨床試驗(yàn)樣本量估算的方法來計(jì)算，大都在6～50例不等[23-24]。有研究者[25-26]對此展開研究，發(fā)現(xiàn)要想得到有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的結(jié)果樣本量至少需要12例。Mayer的研究團(tuán)隊(duì)[27]指出，進(jìn)行簡單的探索性效應(yīng)分析時(shí)，樣本量至少需要5例，而如果進(jìn)行隨機(jī)效應(yīng)分析時(shí)通常需要12～18例才能得到客觀的結(jié)果。徐春生等[28]研究發(fā)現(xiàn)，rs-fMRI研究的樣本量在20例左右時(shí)已可獲得較可靠的結(jié)果。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，樣本量應(yīng)盡量大以減小研究結(jié)果的偏倚。

3.2 數(shù)據(jù)分析方法的選擇

rs-fMRI相較于傳統(tǒng)圖像采集方式的一個(gè)優(yōu)勢即是其分析方法眾多，研究結(jié)果豐富。當(dāng)前對于針灸腦效應(yīng)rs-fMRI研究的數(shù)據(jù)大多從功能分化和功能整合這兩個(gè)角度來進(jìn)行解讀。功能分化主要用來描述局部腦區(qū)的信號(hào)特點(diǎn)，包括低頻振幅、比率低頻振幅法及局部一致性等方法；功能整合則強(qiáng)調(diào)不同腦區(qū)間的相互作用，包括功能連接和有向連接兩種形式。功能連接主要研究不同腦區(qū)時(shí)間上的同步性，包括種子點(diǎn)分析及獨(dú)立成分分析；有向連接強(qiáng)調(diào)不同腦區(qū)的因果交互作用，可利用格蘭杰因果分析、結(jié)構(gòu)方程模型、多變量自回歸模型、動(dòng)態(tài)因果分析等方法進(jìn)行研究。上述的分析方法仍局限于局部腦網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)在大多學(xué)者認(rèn)為利用復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全腦網(wǎng)絡(luò)研究是趨勢所在，更符合人腦活動(dòng)的規(guī)律。分析當(dāng)前基于rs-fMRI的針灸腦效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，低頻振幅、局部一致性及種子點(diǎn)分析等數(shù)據(jù)分析方法應(yīng)用最多，其他的方法較為少見，今后當(dāng)重視其他數(shù)據(jù)分析方法的應(yīng)用，從不同角度、不同層面對rs-fMRI信號(hào)進(jìn)行解讀，以更好地認(rèn)識(shí)大腦的本質(zhì)。

3.3 對照組的設(shè)置

在針灸腦效應(yīng)研究中，對照組的設(shè)置是能否取得陽性結(jié)果的關(guān)鍵，關(guān)系到整個(gè)試驗(yàn)的質(zhì)量。在當(dāng)前基于rs-fMRI的針灸腦效應(yīng)研究中，健康對照和假針刺對照應(yīng)用最多[13-14]。設(shè)置健康人群作為對照，不僅有助于揭示疾病的神經(jīng)影像學(xué)機(jī)制，還能從一定程度上反映針灸激發(fā)人體自我調(diào)節(jié)能力,實(shí)現(xiàn)疾病轉(zhuǎn)歸使人體“趨于正?！钡闹委熜?。假針刺對照的設(shè)置一直是針灸臨床科研無法回避的話題，高質(zhì)量的針灸臨床對照試驗(yàn)和假針刺。但當(dāng)前還沒有一種完美的假針刺方法，這就要求我們在研究中應(yīng)盡可能利用嚴(yán)謹(jǐn)、合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì),最小化假針刺的治療效應(yīng)，以更好地驗(yàn)證針灸的治療效應(yīng)，獲得客觀可靠的結(jié)果。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各研究要素、刺激部位、刺激方法以及人體狀態(tài)等因素，尤其要注意根據(jù)研究目的審慎選擇對照組[29]，如驗(yàn)證針灸治療效力時(shí)可選擇假針刺對照，驗(yàn)證針灸治療特性時(shí)可選擇陽性干預(yù)對照。

3.4 圖像采集時(shí)間點(diǎn)的選擇

雖然相較于傳統(tǒng)的組塊設(shè)計(jì)模式，rs-fMRI對圖像采集時(shí)機(jī)的要求更為寬松，但其時(shí)間點(diǎn)的選擇仍會(huì)對結(jié)果的解讀產(chǎn)生較大的影響。分析當(dāng)前針灸腦效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)對圖像采集時(shí)間點(diǎn)并無明確的標(biāo)準(zhǔn)，大都選擇在針刺治療前、后進(jìn)行2次掃描，對針刺治療前的時(shí)機(jī)要求相對寬松，于針刺前完成即可；而治療后，因考慮針刺應(yīng)激效應(yīng)對腦效應(yīng)的影響，對采集時(shí)機(jī)的選擇更為審慎，爭議也較多，從針刺后15 min～1周不等[20,30]。我們在開展研究之前，應(yīng)根據(jù)患者的狀態(tài)、刺激穴位、刺激方式選擇合適的采集時(shí)機(jī)，盡量做好預(yù)試驗(yàn)，最小化針刺應(yīng)激對rs-fMRI數(shù)據(jù)的影響，力求獲得的腦功能變化符合臨床療效的解釋。

4 小結(jié)

rs-fMRI作為一種無創(chuàng)、非侵入的動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)，憑借其操作簡單、分析方法多且更符合針灸治療效能等優(yōu)勢，在針灸腦效應(yīng)研究中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)在針灸腦效應(yīng)的rs-fMRI研究仍存在一些不足，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。首先，當(dāng)前的研究由于數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析方法等的差異，普遍存在重復(fù)性差的問題，使得研究的結(jié)果大多難以推廣。進(jìn)行多中心、大樣本的針灸腦科學(xué)研究勢在必行，目前國內(nèi)多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已相繼發(fā)起多中心研究計(jì)劃，如左西年教授發(fā)起的國際信度與可重復(fù)性聯(lián)盟，但針灸腦科學(xué)研究的多中心平臺(tái)尚屬空白。其次，許多研究者對研究結(jié)果的解讀往往存在以偏概全的誤區(qū)，僅憑幾個(gè)腦區(qū)或者腦網(wǎng)絡(luò)的變化，即得出針灸療效的機(jī)制，對結(jié)果進(jìn)行孤立的揭示，忽視了全腦網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)相互影響的、復(fù)雜的整體。最后，針灸療效的復(fù)雜性決定其腦效應(yīng)研究必將是一個(gè)不斷探索、去偽存真的漫長過程。而rs-fMRI技術(shù)存在其局限性，研究獲得的腦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是經(jīng)過多種后處理軟件統(tǒng)計(jì)分析得出的數(shù)學(xué)模型，其與真實(shí)的腦網(wǎng)絡(luò)的差異尚不得而知。在今后的研究中，當(dāng)綜合運(yùn)用多種成像方法進(jìn)行多模態(tài)研究，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)結(jié)合神經(jīng)遞質(zhì)、內(nèi)分泌激素水平、代謝組學(xué)及細(xì)胞分子生物學(xué)等多學(xué)科、多層次分析手段，更全面地對針灸腦效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的闡釋。