靜息態(tài)功能磁共振成像在針刺腦效應(yīng)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

劉佳惠,王東巖

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué),哈爾濱 154040)

腦科學(xué)的“黃金時(shí)代”已經(jīng)到來(lái),靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)技術(shù)憑借著簡(jiǎn)易、信息穩(wěn)定、更接近生理狀態(tài)、重復(fù)性高的顯著優(yōu)勢(shì),越來(lái)越廣泛在腦科學(xué)領(lǐng)域研究中被應(yīng)用起來(lái)。就針灸腦科學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō),這項(xiàng)技術(shù)在針刺的腦效應(yīng)機(jī)制研究中同樣扮演著重要的角色,它能夠更好地適用于針灸效應(yīng)的特點(diǎn)采集,能夠更真實(shí)、直觀地反映靜息狀態(tài)下大腦由于針刺效應(yīng)而產(chǎn)生的功能變化,從而為臨床應(yīng)用針刺治療腦疾病提供強(qiáng)而有力的理論依據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

rs-fMRI能夠探測(cè)靜息態(tài)下人腦自發(fā)功能活動(dòng),具有更接近生理狀態(tài)、更適用于針灸效應(yīng)的特點(diǎn),根據(jù)靜息態(tài)腦功能連接變化提取分類特征,已經(jīng)逐步成為一種確實(shí)有效的數(shù)據(jù)處理及采集方法。在未來(lái)醫(yī)學(xué)影像和人類疾病診療中會(huì)發(fā)揮不可估量的重要力量。本研究針對(duì)rs-fMRI技術(shù)在針刺腦功能研究中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、相關(guān)研究?jī)?nèi)容及進(jìn)展問(wèn)題做出簡(jiǎn)單綜述,現(xiàn)報(bào)道如下。

1 rs-fMRI技術(shù)在針刺腦功能的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

靜息態(tài)功能磁共振成像不僅具有高空間分辨率、可重復(fù)性高、信息穩(wěn)定可靠、更貼近生理狀態(tài)等優(yōu)勢(shì)[1],在對(duì)于腦區(qū)間功能聯(lián)系、大腦自發(fā)活動(dòng)及腦功能可塑性等方面的優(yōu)勢(shì)更為突出[2]。隨著神經(jīng)科學(xué)研究的不斷推進(jìn),越來(lái)越多的學(xué)者將目光逐漸聚焦于大腦靜息態(tài)的相關(guān)研究,針刺腦功能成像的研究更是成為了熱點(diǎn)之一。相較于傳統(tǒng)的功能磁共振成像技術(shù),rs-fMRI技術(shù)在研究效應(yīng)連接、多個(gè)腦區(qū)協(xié)調(diào)作用、腦功能連接方面優(yōu)勢(shì)更為突出,被廣泛應(yīng)用于針刺對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)影響的研究。實(shí)現(xiàn)了可視化的研究腦功能變化,能夠更好地貼近于臨床研究的實(shí)際情況,更為客觀地評(píng)估針刺效應(yīng),對(duì)于臨床疾病的研究?jī)r(jià)值更是無(wú)可估量。不僅如此,rs-fMRI技術(shù)對(duì)于客觀化地分析針刺所激活的腦區(qū)也具有重要意義,為針刺腦效應(yīng)的研究提供重要的技術(shù)支持。

2 rs-fMRI技術(shù)在針刺腦功能的相關(guān)研究

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

靜息狀態(tài)作為人腦最復(fù)雜的一種腦活動(dòng)狀態(tài)[3],數(shù)據(jù)分析方法也是多種多樣,目前應(yīng)用較多的方法有如下幾種,①低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation, ALFF),靜息態(tài)fMRI信號(hào)具有低頻的自發(fā)性振幅或波動(dòng),計(jì)算0.01～0.08 Hz內(nèi)所有頻率點(diǎn)上幅值的平均值來(lái)表示一個(gè)體素自發(fā)活動(dòng)的強(qiáng)弱[4]。其主要是針對(duì)于局部腦區(qū)活動(dòng)幅度的測(cè)量。ALFF值的強(qiáng)弱變化能夠反映大腦各區(qū)域代謝活動(dòng)的強(qiáng)度[5],最為重要是,ALFF對(duì)于評(píng)價(jià)針刺后效應(yīng)的中樞機(jī)制改變具有重要意義。另有相關(guān)試驗(yàn)證明,電針刺激能夠促使更多的腦區(qū) ALFF信號(hào)發(fā)生改變。②局部一致性方法(regional homogeneity, ReHo),主要是區(qū)域內(nèi)體素之間時(shí)間序列上的一致性反映,針對(duì)于局部腦組織的同步性活動(dòng),對(duì)局部結(jié)構(gòu)和血流動(dòng)力差異不敏感能夠更好地適用于觀察任務(wù)和靜息狀態(tài)下的腦功能活動(dòng)。目前已經(jīng)有學(xué)者通過(guò) ReHo方法探索電針刺激腦區(qū)的功能連接變化。③獨(dú)立成分分析(independent component analysis, ICA),主要是將原圖像分解成用來(lái)呈現(xiàn)不同模式的功能連接的成分圖像,并進(jìn)一步進(jìn)行分析圖像確認(rèn)結(jié)果。④線性相關(guān)(linear correlation),研究感興趣區(qū)域之間的線性相關(guān)程度,判斷在功能上有無(wú)連接[6]。

2.2 圖像采集時(shí)間點(diǎn)的選擇

目前,關(guān)于針刺腦效應(yīng)研究的圖像采集時(shí)間要求相對(duì)寬松,大都選擇在針刺治療前、后各掃描一次[7]。rs-fMRI圖像采集時(shí)間是否恰當(dāng)對(duì)結(jié)果解讀具有相當(dāng)重要的影響,然而,目前對(duì)于研究針刺腦效應(yīng)的圖像采集時(shí)間點(diǎn)尚未有明確的標(biāo)準(zhǔn),且存在較多爭(zhēng)議,從針刺完成后的15 min至7 d的時(shí)間不等。在進(jìn)行課題方案設(shè)計(jì)時(shí),采集時(shí)間的選擇,應(yīng)考慮多方面因素,比如患者素體狀態(tài)及配合情況、刺激方式及強(qiáng)度、刺激區(qū)域等,盡可能避免針刺應(yīng)激對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響[8]。

2.3 樣本量的選擇

樣本量的選擇是否充分、合理是rs-fMRI研究結(jié)果是否可靠的重要影響因素之一。受到fMRI統(tǒng)計(jì)分析方法多樣性及機(jī)制分析復(fù)雜性的影響,傳統(tǒng)的樣本量計(jì)算方法并不能夠完全適用于fMRI樣本量的估算,可操作的樣本量計(jì)算方法還有待進(jìn)一步研究。Desmond JE等[9]針對(duì)性分析了樣本量的選擇問(wèn)題,通過(guò)試驗(yàn)證明12例樣本量具備穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)效力,且為最小樣本量。為確保腦功能激活差異結(jié)果相對(duì)客觀,樣本例數(shù)需要大于12例。一些團(tuán)隊(duì)在針刺腦效應(yīng)的相關(guān)研究中樣本量的選取分別為13例、18例,所獲得的試驗(yàn)結(jié)果均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[10-11]。羅馬工作團(tuán)隊(duì)[12]也有相近觀點(diǎn),報(bào)道指出為求得客觀結(jié)果樣本量約在12～18例。從徐春生等[13]試驗(yàn)結(jié)果指出針灸腦效應(yīng)的樣本量對(duì)研究結(jié)果影響顯著,但樣本量的具體數(shù)量還有待研究?？紤]到脫落及情緒不穩(wěn)定等導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能夠使用等因素,在進(jìn)行課題方案設(shè)計(jì)時(shí),在條件允許的范圍內(nèi),應(yīng)該選擇盡可能充足的樣本量以降低研究結(jié)果的偏差。

3 靜息態(tài)腦功能磁共振技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 rs-fMRI技術(shù)與針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)的相關(guān)研究

針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)機(jī)制的研究是針灸學(xué)走向科學(xué)化、國(guó)際化的先鋒,符合國(guó)家中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展的戰(zhàn)略方針。現(xiàn)如今,針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)的認(rèn)可度和關(guān)注度在國(guó)內(nèi)外都有明顯提高,而針刺作為一種綠色非藥物的鎮(zhèn)痛療法已被臨床逐步熟識(shí),近幾年來(lái)有關(guān)學(xué)者關(guān)于針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)從不同學(xué)科、多個(gè)角度的研究更是層出不窮。靜息態(tài) fMRI的針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)研究已逐漸吸引了國(guó)內(nèi)外研究員的眼球,逐步成為研究熱點(diǎn)。已有研究證實(shí),ReHo方法對(duì)于分析不同針刺方法在相同腦區(qū)的鎮(zhèn)痛傳入機(jī)制的異同性具有重要意義[14]?；陟o息態(tài)腦功能磁共振技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究提出,針刺鎮(zhèn)痛是需要誘導(dǎo)時(shí)間的,其效應(yīng)是以緩升緩降為特點(diǎn)的生理過(guò)程,除了針刺即時(shí)效應(yīng)以外,靜息態(tài)腦活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生持續(xù)針后效應(yīng)也存在可能性[15],尤其對(duì)于腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的影響更為凸顯。相關(guān)研究證實(shí),作為腦激活區(qū)的島葉可能與針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)的產(chǎn)生密切相關(guān)[16];有證據(jù)指出,針刺的鎮(zhèn)痛作用可能是通過(guò)調(diào)節(jié) LPNN和疼痛中樞網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的[17]。相關(guān)試驗(yàn)研究證實(shí),針刺豐隆穴能有效激活主管疼痛的相關(guān)腦區(qū),認(rèn)為穴位刺激激發(fā)的腦區(qū)活動(dòng),可能是該穴位實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)痛作用的中樞機(jī)制之一。李霽等[18]利用靜息態(tài)fMRI技術(shù),在臨床中通過(guò)針刺治療坐骨神經(jīng)痛患者發(fā)現(xiàn)針刺鎮(zhèn)痛的機(jī)制可能與其對(duì)DMN的調(diào)節(jié)有關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn),穴位的配伍應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)對(duì)腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛效應(yīng)的方法之一,有學(xué)者通過(guò)靜息態(tài)腦功能成像分析研究,推測(cè)針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)與多個(gè)腦區(qū)協(xié)同調(diào)控密切相關(guān)[19]?；陟o息態(tài) fMRI的針刺效應(yīng)研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)針刺鎮(zhèn)痛機(jī)理不同維度、不同學(xué)科的聯(lián)合研究,對(duì)推動(dòng)針灸事業(yè)的發(fā)展起到重要的助力作用。

3.2 rs-fMRI技術(shù)與針刺的醒神益智作用

rs-fMRI對(duì)腦科學(xué)研究的推進(jìn)助力是意義非凡、影響深遠(yuǎn)的。關(guān)于針刺腦效應(yīng)的多層次、多維度研究也是現(xiàn)如今針刺效應(yīng)機(jī)理的熱點(diǎn)、難點(diǎn),關(guān)于針刺腦效應(yīng)的研究是一個(gè)不斷推翻、反復(fù)論證的過(guò)程。靜息態(tài)fMRI研究分析結(jié)果通過(guò)腦區(qū)ALFF信號(hào)具有明顯變化,肯定了針刺療法醒腦調(diào)神、興奮腦神經(jīng),從而整體性調(diào)整患者狀態(tài)的治療作用[20]。蔣垂剛等[21]提到,針刺太溪穴時(shí),在大腦雙側(cè)及深部均有激活,靶向激活了與認(rèn)知、記憶密切相關(guān)的病變腦區(qū),對(duì)相關(guān)腦區(qū)具有特異的調(diào)節(jié)和整合進(jìn)而發(fā)揮醒腦調(diào)神的作用。研究指出,電針心經(jīng)穴能夠引起腦網(wǎng)絡(luò)功能連接的變化,尤其與精神、神志及智力相關(guān)腦區(qū)的影響最為密切[22]。陳尚杰等[23]對(duì)患者水溝穴留針時(shí)的腦功能連接變化展開探討,從而肯定了針刺水溝穴具有醒腦調(diào)神導(dǎo)氣的直接作用,認(rèn)為本穴位刺激與認(rèn)知腦區(qū)的激活存在必然聯(lián)系。靜息態(tài)功能磁共振研究[24]證實(shí),針刺百會(huì)穴能有效改善腦區(qū)間的功能連接,進(jìn)而達(dá)到醒腦調(diào)神、改善認(rèn)知功能的作用。有研究[25]表明,卒中后患者腦區(qū)功能的連接能力會(huì)出現(xiàn)不同程度的改變,針刺干預(yù)手段能有效激活默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的功能連接,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)卒中患者認(rèn)知功能的改善。付平等[26]研究指出,電針足三里穴對(duì)相關(guān)的腦區(qū)存在激活作用,可能在一定程度上改善認(rèn)知功能,進(jìn)而發(fā)揮醒腦調(diào)神的作用。掌握針刺對(duì)腦內(nèi)的功能連接及活動(dòng)機(jī)制有賴于影像科學(xué)的技術(shù)支持,rs-fMRI技術(shù)或許能夠成為探索針刺腦效應(yīng)的核心技術(shù)力量。

3.3 rs-fMRI技術(shù)關(guān)于針刺其他效應(yīng)的研究進(jìn)展

隨著影像科學(xué)的不斷發(fā)展,rs-fMRI技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于腦網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究,特別是在默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的研究。穴位效應(yīng)的多層次研究也是近年來(lái)針刺效應(yīng)的熱點(diǎn),而針刺經(jīng)穴引發(fā)的中樞效應(yīng)更是研究熱點(diǎn)中的難點(diǎn)、重點(diǎn),rs-fMRI技術(shù)對(duì)研究針刺中樞響應(yīng)有潛在價(jià)值[27]。方繼良等[28]關(guān)于電針后腦功能動(dòng)態(tài)變化研究,推測(cè)電針對(duì)“邊緣葉-前額葉網(wǎng)絡(luò)”有激活作用。此外,關(guān)于不同強(qiáng)度的電針刺激是否對(duì)腦功能區(qū)域的激活存在影響也存在爭(zhēng)議,需要未來(lái)做更深一步的試驗(yàn)研究。QIU K等[29]通過(guò)文獻(xiàn)研究分析提到,腦網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和針刺手法的多樣性對(duì)針刺-神經(jīng)成像技術(shù)有了更高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量把控的要求。不同腦區(qū)有間斷、持續(xù)、雙向和一過(guò)性的不同激活方式,針刺應(yīng)答也存在復(fù)雜時(shí)間依賴特點(diǎn),這也是研究針刺的腦效應(yīng)機(jī)制的難點(diǎn)。臨床研究發(fā)現(xiàn),rs-fMRI技術(shù)為針刺治療卒中患者改善其損傷腦區(qū)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元活動(dòng)提供了直接影像證據(jù)。該技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)腧穴與腦的關(guān)系探索具有重要意義。相關(guān)研究指出,電針刺激上巨虛穴能夠刺激功能性腸病患者腦區(qū)的功能連接,使作為內(nèi)臟高敏的皮層樞紐的雙側(cè)島葉呈負(fù)激活,進(jìn)而推測(cè)患者的改善效應(yīng)與之相關(guān)[30]。有學(xué)者通過(guò)臨床試驗(yàn)研究,對(duì)比假針刺組、假穴位組與太沖穴的腦區(qū)之間的連接變化,證實(shí)了該穴位具有激活情感認(rèn)知功能腦網(wǎng)絡(luò)的重要作用?；趓s-fMRI技術(shù)研究針刺腦效應(yīng)的文獻(xiàn)提到,針刺生理心理疼痛穩(wěn)態(tài)的重建可能是通過(guò)處理內(nèi)源性疼痛、情感和認(rèn)知功能的腦區(qū)整體調(diào)控實(shí)現(xiàn)的。隨著靜息態(tài)功能磁共振在腦科學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,有研究學(xué)者指出,該技術(shù)在神經(jīng)、精神類疾病的病理機(jī)制研究方面優(yōu)勢(shì)更為突出,能更為全面且直觀地反映腦網(wǎng)絡(luò)的功能連接[31]。有關(guān)于電針頭穴刺激治療卒中機(jī)制的研究指出,靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)分析能夠更加直觀地反映出,電針與靜留針頭穴刺激對(duì)腦內(nèi)特定相關(guān)功能區(qū)域影響差異,進(jìn)一步明確指出了電針相較于傳統(tǒng)針刺的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)[32]。此外,通過(guò)手針與電針的試驗(yàn)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),兩者靜息態(tài)下激活的腦區(qū)存在明顯差異,推測(cè)兩者可能存在著截然不同的調(diào)節(jié)機(jī)制[33]。曲姍姍[34]通過(guò)采集抑郁癥治療前后靜息態(tài)fMRI并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)電針百會(huì)、印堂可能通過(guò)靶向性激活抑郁相關(guān)腦區(qū)而起到治療的作用。

4 rs-fMRI技術(shù)處理的爭(zhēng)議

針刺腦效應(yīng)的研究是一個(gè)漫長(zhǎng)且具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程,rs-fMRI技術(shù)在針刺中樞機(jī)制的研究中優(yōu)勢(shì)突出、前景廣闊。rs-fMRI技術(shù)是探索針刺對(duì)腦功能連接變化及腦內(nèi)活動(dòng)機(jī)制的技術(shù)橋梁,對(duì)于腦疾病的研究?jī)r(jià)值更是不言而喻。rs-fMRI成像的準(zhǔn)確性受到諸多因素的影響[35-36],因此在研究時(shí)可能存在一部分假陽(yáng)性結(jié)果。所以,數(shù)據(jù)處理計(jì)算方法、樣本量的大小、試驗(yàn)設(shè)計(jì)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理、圖像數(shù)據(jù)采集時(shí)間是否恰當(dāng)、幽閉境況下心理波動(dòng)、機(jī)器自身噪聲、患者不自主運(yùn)動(dòng)等都需要考慮。此外,對(duì)于受試者來(lái)說(shuō)在接受針刺治療時(shí)也可能存在一定程度的情緒波動(dòng)、思維活動(dòng),受試者的素體狀態(tài),施術(shù)者針刺操作頻率、強(qiáng)度、刺激區(qū)域等存在差異,以上這些也會(huì)在一定程度上影響對(duì)腦功能的指標(biāo)檢測(cè)。在今后,如何更科學(xué)、客觀地設(shè)計(jì)是研究者接下來(lái)努力的方向。

5 討論

rs-fMRI技術(shù)目前已成為掌握針刺對(duì)腦內(nèi)的功能連接及活動(dòng)機(jī)制、甚至是整體腦網(wǎng)絡(luò)探索的核心輔助技術(shù),但其仍處于成長(zhǎng)期,同樣需要日漸完善和不斷成熟,在研究針刺的神經(jīng)機(jī)制方面也需要不斷深入。目前來(lái)說(shuō),針刺腦效應(yīng)的靜息態(tài)磁共振成像技術(shù)研究是一項(xiàng)具有廣闊前景且極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。針刺的腦效應(yīng)是復(fù)雜的且影響因素諸多,在未來(lái)的研究中,以嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的課題設(shè)計(jì)為前提,以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為支點(diǎn),圍繞疾病展開研究,建立一套系統(tǒng)化、科學(xué)化、規(guī)范化的研究計(jì)劃,最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)化評(píng)估針刺腦效應(yīng)的目的。