基于皮質(zhì)分析睡眠剝奪后針刺神門穴對大腦局部一致性的影響

馮思同 賈竑曉 鄭思思 姚 昊 馮正田 劉鑫子 蔡永麗 寧艷哲*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安定醫(yī)院 國家精神心理疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 精神疾病診斷與治療北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；2.人腦保護(hù)高精尖創(chuàng)新中心 首都醫(yī)科大學(xué)，北京 100069；3.北京中醫(yī)藥大學(xué)東方醫(yī)院針灸科，北京 100078)

睡眠剝奪(sleep deprivation, SD)是指由于自身或外界因素導(dǎo)致個(gè)體睡眠缺失，睡眠時(shí)間少于4 h，從而引起心理及生理功能改變的狀態(tài)[1]。研究[2]顯示24 h SD會(huì)導(dǎo)致個(gè)體的情緒、學(xué)習(xí)記憶、認(rèn)知功能和免疫力等一系列的異常改變，嚴(yán)重影響心理和身體健康。更為重要的是，睡眠剝奪24 h后會(huì)造成認(rèn)知功能和工作效率降低30%左右[3]。靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state function magnetic resonance imaging, rs-fMRI)相關(guān)研究[4-5]表明SD后個(gè)體的腦神經(jīng)功能會(huì)發(fā)生改變，其中局部一致性(regional homogeneity, ReHo)在不同的腦區(qū)有異常改變。2004年有研究者[6]提出了采用ReHo來分析不同腦區(qū)功能活動(dòng)的特點(diǎn)，并且可以評價(jià)基于體素組成不同團(tuán)塊的相似性。以往的影像學(xué)研究[7]顯示24 h SD多個(gè)腦區(qū)的ReHo值發(fā)生了異常改變，涉及到中央前回、顳葉和額葉等，這與個(gè)體情緒、學(xué)習(xí)記憶等功能改變密切相關(guān)。近年來，研究者一直在尋求可改善SD不良影響的治療措施，包括藥物和非藥物手段。針灸是中醫(yī)學(xué)的重要組成部分，在改善睡眠和認(rèn)知方面取得較好的臨床療效，但相關(guān)的效應(yīng)機(jī)制尚未明確。研究[8]顯示針刺三陰交穴可明顯改善24 h SD組的情緒相關(guān)腦區(qū)，并對腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)有顯著影響。然而，目前針刺神門穴對SD的腦功能活動(dòng)影響的文獻(xiàn)報(bào)道較少。因此，本研究運(yùn)用rs-fMRI技術(shù)觀察睡眠剝奪前后和針刺SD組受試者神門穴前后腦區(qū)ReHo的改變，旨在探究針刺神門穴對SD腦區(qū)ReHo變化的影響。

1 對象與方法

1.1 研究對象

健康受試者為北京中醫(yī)藥大學(xué)和首都醫(yī)科大學(xué)在校學(xué)生，30名(男性16人，女性14人)，平均年齡(25.20±2.20)歲；受教育年限：(18.10±2.45)年；匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)(Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI)評分(2.13±1.78)分。本研究已經(jīng)獲得首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安定醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)[批件號(hào)：(2020)科研第(42)號(hào)-202065FS-2]，所有被試在實(shí)驗(yàn)開始前均自愿簽署知情同意書，并且在試驗(yàn)階段可隨時(shí)退出。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 納入標(biāo)準(zhǔn)

全部符合以下6項(xiàng)者： ①年齡18～35周歲，右利手；②睡眠正常，睡眠習(xí)慣良好，PSQI測試分?jǐn)?shù)<5分；③近一年無明顯的壓力刺激、創(chuàng)傷以及其他應(yīng)激狀態(tài)出現(xiàn)；④無心、腦、肝、腎和血液等系統(tǒng)疾??；⑤無焦慮、抑郁、躁狂等相關(guān)精神疾病病史；⑥無磁共振掃描禁忌證。

1.2.2 排除標(biāo)準(zhǔn)

①有藥物、乙醇、煙等依賴史者；②倒班工作者；③月經(jīng)周期階段、孕期、哺乳期或生育后不超過1年者。

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)從早晨8:00開始到次日早晨8:00結(jié)束,于首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安定醫(yī)院特定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展，主試人員全程陪同被試者以防止在睡眠剝奪過程進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在試驗(yàn)前，告知被試者試驗(yàn)流程和注意事項(xiàng)，使被試者充分了解并配合主試人員。被試者需在睡眠剝奪前后和針刺后分別進(jìn)行磁共振掃描，在磁共振掃描前，被試者需保持安靜狀態(tài)30 min以上，囑其放松。睡眠剝奪前，先用靜息態(tài)磁共振掃描8 min 10 s，隨后進(jìn)行T1結(jié)構(gòu)像掃描。在睡眠剝奪過程中，被試者可以進(jìn)行上網(wǎng)、打牌、玩游戲等自主活動(dòng)，但不允許被試者服用興奮或者抑制神經(jīng)系統(tǒng)的食物或者藥物。睡眠剝奪后24 h，被試者先靜息態(tài)磁共振掃描8 min 10 s，隨后進(jìn)行針刺態(tài)磁共振掃描[9]，雙側(cè)神門穴進(jìn)針，進(jìn)針后進(jìn)行平補(bǔ)平瀉法捻針1 min，再留針8 min后取針。在結(jié)束針刺態(tài)掃描后T1結(jié)構(gòu)像掃描4 min 10 s。

1.4 掃描設(shè)備與參數(shù)

本研究采用首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安定醫(yī)院的磁共振設(shè)備，為德國西門子公司3.0T Prisma超導(dǎo)磁共振掃描儀。掃描參數(shù)：①功能像參數(shù)：視場(field of view, FOV)=225×225，數(shù)據(jù)矩陣(data matrix)=64×64，層厚= 3.5 mm，重復(fù)時(shí)間(repetition time, TR)=2 000 ms，回波時(shí)間(echo time, TE)=30 ms，翻轉(zhuǎn)角(flip angle)=90°。②結(jié)構(gòu)像參數(shù)為 FOV=250×250，矩陣=256×256，層厚=1 mm，TR=1 900 ms，TE=2.52 ms，翻轉(zhuǎn)角=90°。掃描時(shí)使用海綿墊固定被試者頭部，以防止頭部運(yùn)動(dòng)，并且囑其閉眼，不要睡覺，保持清醒，同時(shí)在每個(gè)掃描序列開始前提醒并查看被試者是否睡覺，掃描結(jié)束后詢問被試者是否在掃描過程中入睡，明確所有被試者在實(shí)驗(yàn)過程中保持清醒。

1.5 針刺處理

①針刺穴位：神門穴，位于腕掌側(cè)橫紋尺側(cè)端，尺側(cè)腕屈肌腱的橈側(cè)凹陷處，針刺深度0.3～0.5寸(1 寸≈ 3.33 cm)。針具為北京中研太和醫(yī)藥有限公司的一次性銀質(zhì)針灸針(0.30 mm×25 mm)。②質(zhì)量控制：研究全程由兩位針灸醫(yī)師進(jìn)行針刺操作，兩人同時(shí)進(jìn)針。進(jìn)針得氣后，采用平補(bǔ)平瀉的手法，捻轉(zhuǎn)1 min，靜置留針8 min。

1.6 圖像處理

首先使用MRI cro對功能磁共振的原始數(shù)據(jù)篩選，剔除圖像偽影過大或不完整的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理基于MATLAB2019a平臺(tái)。應(yīng)用中國科學(xué)院心理所開發(fā)的DPABISurf軟件(http://rfmri.org/DPABISurf)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[10]。首先，將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為NIFTI格式，對T1加權(quán)圖像進(jìn)行校正、顱骨剝離、腦組織分割(針對提取的腦脊液、白質(zhì)和灰質(zhì))，分割左右半球以及皮層下結(jié)構(gòu)，隨后重建腦皮質(zhì)，以T1加權(quán)圖像為模板進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化[應(yīng)用蒙特利爾神經(jīng)(Montreal Neurological Institute, MNI)空間]。隨后，去除前5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以每個(gè)TR的中間時(shí)間體積定義為參考體積，并生成其顱骨剝離版本，進(jìn)行時(shí)間校正、頭動(dòng)校正(頭部移動(dòng)超過2 mm或者旋轉(zhuǎn)度超過2°的圖像將被剔除)、空間標(biāo)準(zhǔn)化(空間歸一化為MNI空間，并重新采樣為2 mm的各向同性體素大小)。使用DPABISurf對皮質(zhì)和體積功能數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)變量回歸， 在軟件運(yùn)行過程中，為了計(jì)算某一個(gè)頂點(diǎn)的ReHo值，需要計(jì)算其最近鄰頂點(diǎn)，并計(jì)算所有頂點(diǎn)血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)時(shí)間序列的Kendall一致性系數(shù)(Kendall’s consistency coefficient, KCC)，對整個(gè)大腦表面的每個(gè)頂點(diǎn)重復(fù)這個(gè)過程，形成全腦范圍的ReHo圖像，最后采用高斯函數(shù)對所有受試者進(jìn)行空間平滑。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用DPABISurf中的統(tǒng)計(jì)分析對ReHo圖像進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，得到睡眠剝奪前后和針刺神門穴前后ReHo變化的腦區(qū)。以P<0.01為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，隨后采用Bonferroni校正，以P<0.005為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。最終結(jié)果展示包括有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的異常腦區(qū)的具體解剖位置、團(tuán)塊大小，最高點(diǎn)坐標(biāo)及相應(yīng)的峰值T值。

2 結(jié)果

2.1 24 h SD后ReHo值異常的腦區(qū)

與睡眠狀態(tài)下相比，SD后可引起較多腦區(qū)ReHo值的改變(表1,圖1)。其中ReHo值顯著升高的腦區(qū)包括左側(cè)第二視皮質(zhì)、左側(cè)中央前回、左側(cè)顳橫回、右側(cè)初級視皮質(zhì)、右側(cè)顳上回和右側(cè)中央旁小葉；而顯著降低的腦區(qū)包括雙側(cè)后扣帶回、雙側(cè)角回、雙側(cè)背外側(cè)前額葉、左側(cè)緣上回、左側(cè)顳中回、右側(cè)緣上回和右側(cè)中央前回。

表1 24 h SD后ReHo改變的腦區(qū)Tab.1 ReHo in brain regions before and after 24 h SD

圖1 24 h SD前后主要腦區(qū)的ReHo變化Fig.1 ReHo in main brain regions before and after 24 h SD

2.2 針刺神門穴前后ReHo值異常的腦區(qū)

基于ReHo值分析發(fā)現(xiàn)，針刺神門穴可引起左半球多個(gè)腦區(qū)的ReHo值改變。與SD后相比，針刺后ReHo值顯著升高的腦區(qū)包括頂上回、背側(cè)視皮質(zhì)和顳中回；而針刺后ReHo值明顯降低的腦區(qū)包括后扣帶回、前扣帶回、腦島、背外側(cè)前額葉、顳上回、眶部額下回、角回、顳下回和初級視皮質(zhì)。而與SD前相比，針刺神門穴后各個(gè)腦區(qū)的ReHo值無顯著性改變(表2，圖2)。

表2 針刺神門穴后ReHo改變的腦區(qū)Tab.2 ReHo in brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

圖2 針刺神門穴前后主要腦區(qū)的ReHo變化Fig.2 ReHo in main brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

3 討論

神門穴是臨床針刺的常用穴位，為手少陰心經(jīng)的原穴，可調(diào)臟腑、通經(jīng)絡(luò)[11]。在《針灸大成》[12]中提到了神門穴的治療范圍：“神門，掌后銳骨端陷中……主心性癡呆，健忘，心積伏梁，大小人五癇”。此外，明代典籍《醫(yī)學(xué)入門》[13]也提出：“神門主驚悸，怔忡，呆癡等疾，及卒中鬼邪，恍惚振禁，小兒驚癇”。針刺補(bǔ)瀉神門穴能夠?qū)幮陌采?，廣泛應(yīng)用于治療精神類疾病。以往的研究[14]顯示，針刺治療失眠癥時(shí)選用神門穴治療的頻率最高，其治療失眠療效顯著，是失眠癥針灸治療選用的“一級主穴”。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究[15-16]表明，針刺神門穴可以激活中樞神經(jīng)系統(tǒng)，降低覺醒，促進(jìn)深度睡眠，改善腦神經(jīng)活動(dòng)，緩解情緒。因此，本研究采用自身前后對照的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先基于ReHo分析來觀察24 h SD前后腦功能活動(dòng)的改變，隨后探究針刺神門穴對SD后腦功能紊亂的干預(yù)效應(yīng)。

SD后個(gè)體的注意、工作記憶等認(rèn)知功能和情緒均有不同程度的損傷，影像學(xué)研究[17]顯示額頂網(wǎng)絡(luò)與突顯網(wǎng)絡(luò)激活的程度有所降低，并且默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)負(fù)激活減弱。盡管許多影像學(xué)研究觀察到了SD后腦區(qū)的異常改變，但是目前尚無統(tǒng)一定論。ReHo值可以衡量在一個(gè)功能團(tuán)塊中的所有體素變化的一致性和相似性，同時(shí)可間接反映出局部腦區(qū)功能活動(dòng)的時(shí)間同步狀態(tài)，進(jìn)一步推測相對應(yīng)腦區(qū)的功能活動(dòng)。本研究顯示與SD前相比，SD后多個(gè)腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性功能異常，包括額葉、角回、中央前回等；而與針刺神門穴前相比，針刺后左半球多個(gè)腦區(qū)的局部協(xié)調(diào)一致性也出現(xiàn)了明顯改變。

以往的研究[18]顯示SD后個(gè)體的反應(yīng)遲鈍與大腦DMN的激活密切相關(guān)。靜息態(tài)下DMN包含的腦區(qū)主要有后扣帶回、角回、內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)和背外側(cè)前額葉等。本研究顯示在24 h睡眠剝奪后，后扣帶回和背外側(cè)前額葉區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)協(xié)調(diào)一致性顯著降低。后扣帶回是DMN的核心節(jié)點(diǎn)，參與調(diào)節(jié)情緒、記憶和注意等功能活動(dòng)，并發(fā)揮了關(guān)鍵作用。有研究[19]表明后扣帶回的ReHo值降低與個(gè)體的覺醒和警覺水平下降呈正相關(guān)。而本研究顯示針刺神門穴后被試者后扣帶回腦區(qū)的ReHo值顯著下降，這表明針刺神門穴可以降低覺醒，從而促進(jìn)深度睡眠。背外側(cè)前額葉是負(fù)責(zé)個(gè)體執(zhí)行與控制能力的核心區(qū)域，與工作記憶、推理等高級認(rèn)知功能密切相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，SD后雙側(cè)背外側(cè)前額葉的ReHo值均明顯降低，這表明SD會(huì)引起大腦情緒和認(rèn)知功能的改變。而針刺神門穴后左側(cè)背外側(cè)前額葉的協(xié)調(diào)一致性有顯著改變，這可能與其時(shí)間效應(yīng)有關(guān)。角回為視覺性語言中樞(閱讀中樞)，在個(gè)體閱讀理解、注意和社會(huì)認(rèn)知等方面發(fā)揮著重要的作用[20]。本結(jié)果表明24 h SD后雙側(cè)角回神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性明顯下降，這與被試者注意力降低、閱讀理解能力降低有關(guān)。而本研究顯示針刺神門穴后被試者左側(cè)角回的ReHo值相較于針刺前顯著下降，這可能與個(gè)體覺醒降低，使得注意和理解能力減弱有關(guān)。

顳葉同樣與情緒、工作記憶和睡眠等功能密切相關(guān)，是多種感知覺信息早期加工的主要腦區(qū)。有文獻(xiàn)[21]顯示慢性部分性SD后會(huì)導(dǎo)致雙側(cè)顳中回的ReHo值顯著增高。而本研究結(jié)果顯示急性24 h SD后被試的左側(cè)顳中回ReHo值顯著降低，這可能與SD對顳葉急性損傷有關(guān)。隨后筆者觀察針刺神門穴可以明顯增強(qiáng)左側(cè)顳中回神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性，表明針刺神門穴可以改善SD后個(gè)體的情緒、認(rèn)知和睡眠功能。此外，本研究結(jié)果顯示了相較于正常睡眠狀態(tài)，24 h SD后左側(cè)第二視皮質(zhì)、左側(cè)中央前回、左側(cè)顳橫回、右側(cè)初級視皮質(zhì)、右側(cè)顳上回和右側(cè)中央旁小葉神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性顯著增強(qiáng)；左側(cè)緣上回、右側(cè)緣上回和右側(cè)中央前回神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性明顯降低。然而，針刺神門穴后未發(fā)現(xiàn)其對上述腦區(qū)的顯著影響。與針刺前相比，針刺神門穴后左側(cè)頂上回和左側(cè)背側(cè)視皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性明顯增強(qiáng)；而左側(cè)前扣帶回、左側(cè)腦島、左側(cè)顳上回、左側(cè)眶部額下回、左側(cè)顳下回和初級視皮質(zhì)神經(jīng)活動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性明顯減弱。上述腦區(qū)改變的效應(yīng)機(jī)制仍有待后續(xù)的探究。

綜上所述，本研究通過分析rs-fMRI的ReHo值，探究了睡眠剝奪前后不同腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的差異，并且首次探索了針刺神門穴對SD后腦功能區(qū)的效應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明24 h SD后與情緒、認(rèn)知等功能多個(gè)相關(guān)的腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)異常改變。而針刺神門穴后，左側(cè)腦半球后扣帶回、背外側(cè)前額葉、角回和顳中回區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)協(xié)調(diào)一致性相較于針刺前顯著增強(qiáng)或減弱，這與降低覺醒、改善情緒和認(rèn)知功能等方面密切相關(guān)。未來需要增加試驗(yàn)的樣本量，運(yùn)用多模態(tài)磁共振成像方法，進(jìn)一步明確針刺神門穴對腦神經(jīng)活動(dòng)的效應(yīng)機(jī)制。