針刺治療腦卒中偏癱的rs-fMRI研究方法及應(yīng)用現(xiàn)狀

張虹巖，王東巖，劉佳惠，謝興國

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

全球疾病負(fù)擔(dān)研究(GBD)最新報告顯示，目前腦卒中在我國的發(fā)病風(fēng)險高達(dá)39.9%，在全球范圍內(nèi)位居第一[1]。腦卒中后約69%～80%患者會出現(xiàn)運動功能障礙[2-3]，運動功能障礙為最高發(fā)且嚴(yán)重影響患者日常生活及工作的后遺癥之一。在全國老齡化日益加重的今天，腦卒中發(fā)病率將會逐漸增高，那么如何有效治療這一高發(fā)疾病成為了刻不容緩的重大問題。針刺治療腦卒中后運動功能障礙的臨床有效性已經(jīng)被世界所公認(rèn)[4-5]，在臨床康復(fù)治療中被廣泛使用[6]，關(guān)于針刺起效的作用機(jī)制神經(jīng)科學(xué)家們先后提出了不同假說[7-8],如具有促進(jìn)神經(jīng)重塑、調(diào)節(jié)腦部血液供應(yīng)和建立側(cè)支循環(huán)等作用，但到目前為止仍然沒有明確的定論。近年興起了一種新的影像學(xué)技術(shù)-功能磁共振成像(fMRI)，它是由20世紀(jì)科學(xué)家Ogawa通過觀察氧合血紅蛋白與磁共振信號之間的關(guān)系發(fā)明出來的，以此為基礎(chǔ)的靜息態(tài)功能磁共振(rs-fMRI)[9]以及人腦連接組陸續(xù)被提出[10]，各位學(xué)者經(jīng)探究人腦連接組后，根據(jù)全腦解剖連接組提出“腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”、通過全腦功能連接組提出“腦功能網(wǎng)絡(luò)”，這讓后代醫(yī)者可以通過腦網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步探究復(fù)雜的人腦結(jié)構(gòu)以及神經(jīng)功能在疾病發(fā)生時的動態(tài)變化。針刺發(fā)揮作用與神經(jīng)可塑性相關(guān)[11-12]，當(dāng)腦卒中發(fā)生后大腦高級中樞神經(jīng)會為了應(yīng)對環(huán)境變化做出結(jié)構(gòu)以及功能上的適應(yīng)性改變。正是神經(jīng)可塑性的存在，經(jīng)過治療后大腦運動功能才得以重建。因此可以借助rs-fMRI技術(shù)全面、深入和直觀地關(guān)注腦效應(yīng)改變并探索針刺治療腦卒中后運動功能障礙的神經(jīng)功能恢復(fù)機(jī)制。本研究以功能磁共振在針刺治療腦卒中后運動功能障礙中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 靜息態(tài)功能磁共振

fMRI主要包含任務(wù)態(tài)fMRI以及靜息態(tài)fMRI，任務(wù)態(tài)fMRI即被試者執(zhí)行任務(wù)時采集腦功能成像，rs-fMRI則是在靜息狀態(tài)下(被試者呼吸平穩(wěn)、意識清晰，閉目且沒有任何思維變化)采集腦功能成像。由于卒中后有運動功能障礙的患者不宜執(zhí)行要求任務(wù)，所以目前研究大多使用rs-fMRI。rs-fMRI分析中的功能連接(FC)[13]也就是對功能磁共振影像上兩個不相鄰的體素或由神經(jīng)核團(tuán)構(gòu)成的腦區(qū)之間的時間序列做出相關(guān)性分析，在靜息狀態(tài)下得出的時間序列的相關(guān)性分析即為靜息態(tài)功能連接(Resting state functional connectivity,RSFC)，以此可以識別構(gòu)建出極具可信度的靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)[14]。當(dāng)腦卒中突然發(fā)生時局部腦組織受到損傷，此時大腦內(nèi)部的功能連接發(fā)生變換，腦網(wǎng)絡(luò)也隨之改變，所以探究疾病發(fā)生以及針刺治療后的功能連接以及腦網(wǎng)絡(luò)對探索針刺中樞機(jī)制具有重要價值。

2 rs-fMRI研究方法及其應(yīng)用

人腦的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)具有兩大組織原則[15]，即功能分化以及功能整合，關(guān)于rs-fMRI的研究計算方法主要從這兩個角度出發(fā)分為：研究局部腦活動的方法:包括局域一致性(Regional homogeneity,ReHo)、低頻振幅(Amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)和分?jǐn)?shù)低頻能量振幅(fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF)；研究腦區(qū)間連接模式的方法：基于種子感興趣區(qū)的相關(guān)性分析(seed-ROI correlation analysis)、獨立成分分析(Independent component analysis,ICA)；研究全局腦網(wǎng)絡(luò)的方法：基于“圖論(graph-theoretical)”的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)分析；其他方法：體素鏡像同倫連接(Voxel-mirrored homo-topic connectivity,VMHC)。

2.1 局部腦活動與運動功能重建

2.1.1 局域一致性(Reho) Reho提出[16]就是以肯德爾和諧系數(shù)(the kandall coefficient of concordace)為基礎(chǔ)的測量指定腦區(qū)內(nèi)部體素與相鄰體素間在時間序列上的相似性，該分析方法集中顯示局部腦區(qū)的神經(jīng)功能活動狀態(tài)，當(dāng)Reho值降低則提示此腦區(qū)中存在神經(jīng)元損傷、神經(jīng)功能紊亂；Reho值升高時則表明在時間序列上局部腦區(qū)內(nèi)部神經(jīng)元激活趨近一致。Reho指標(biāo)用于針刺治療腦卒中后運動功能障礙的研究中，付彩虹等[17]發(fā)現(xiàn)與健康者對比，卒中患者的Reho增強的腦區(qū)包括左側(cè)額上回、額中回、額下回、中央前回和中央后回等;而Reho減弱集中在右側(cè)中央前回、扣帶回和雙側(cè)小腦扁桃體等腦區(qū)。針刺治療后卒中患者對比治療前左側(cè)額中回、中央前回、中央后回、頂下小葉以及雙側(cè)尾狀核的Reho增強。實驗證實卒中后偏癱患者多腦區(qū)存在局域一致性異常差異，而針刺治療后可以調(diào)整腦功能狀態(tài)，對運動功能重塑具有促進(jìn)作用。劉桐言[18]基于rs-fMRI的Reho指標(biāo)探討顳三針激活腦梗死后上肢運動障礙患者的相關(guān)腦區(qū)，治療前經(jīng)rs-fMRI掃描發(fā)現(xiàn)患者較健康人腦，健側(cè)尾狀核、健側(cè)中央后回ReHo值降低，提示此處腦區(qū)神經(jīng)元損傷、活動異常。經(jīng)治療后治療組兩處腦區(qū)ReHo值上升，接近健康人ReHo值水準(zhǔn)；對照組健側(cè)尾狀核ReHo值接近健康者水準(zhǔn),健側(cè)中央后回并未達(dá)到健康者水準(zhǔn)。得出結(jié)論顳三針提高了左腦尾狀核及中央后回兩處腦區(qū)的Reho值并改善其異常神經(jīng)活動，針刺左側(cè)顳三針使右腦梭狀回、左腦小腦后葉被激活，提示兩處腦區(qū)可能與改善運動功能相關(guān)。多實驗表明基于靜息態(tài)功能磁共振的Reho指標(biāo)具有穩(wěn)定性較高、對局部腦區(qū)神經(jīng)激活敏感性較好，能夠相對精確地對發(fā)生運動功能障礙后的異常腦區(qū)進(jìn)行定位，探究針刺治療對運動相關(guān)腦區(qū)的激活水平進(jìn)而發(fā)掘針刺治療運動障礙的中樞神經(jīng)恢復(fù)機(jī)制。

2.1.2 低頻振幅(ALFF)、分?jǐn)?shù)低頻能量振幅(fALFF) ALFF也是反映大腦局部腦區(qū)神經(jīng)元活動的重要指標(biāo)[19]，其在每個頻段下的BOLD信號功率譜各有不同，經(jīng)典頻段(0.01～0.08 Hz)最為常用，這個頻段下降噪水平相對突出，所以目前大多數(shù)顱內(nèi)研究集中在這個頻段。ALFF數(shù)值下降提示腦區(qū)BOLD信號減弱、神經(jīng)元自發(fā)活動減低；ALFF數(shù)值升高則意味著信號增強、活動增加。為了避免ALFF易受噪聲干擾的缺陷，有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了fALFF[20]，這種分析方法是將低頻段ALFF信號數(shù)值除以完整頻段的ALFF值，在避開ALFF的短板的同時提升了檢測大腦神經(jīng)元信號強度的靈敏程度并增加其特異性?？梢愿玫赜成淙X各個靜息態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并觀察他們的功能變化。ALFF、fALFF分析方法被廣泛應(yīng)用于腦功能、腦靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究當(dāng)中，歐芳元等[21]通過觀察fALFF指標(biāo)變化來研究針刺對改善腦卒中后偏癱患者腦功能的影響，當(dāng)患者發(fā)病后顱內(nèi)出現(xiàn)多個腦區(qū)fALFF數(shù)值異常，針灸治療后部分fALFF數(shù)值趨向健康受試者水平，研究者提出fALFF的變化可能與針刺能夠改善靜息態(tài)運動功能網(wǎng)絡(luò)、促進(jìn)腦內(nèi)運動功能重塑有關(guān)。何曉浩等[22]通過ALFF分析方法明確卒中后偏癱患者針刺聯(lián)合推拿的治療療效，將納入患者分為3組，治療后3組患者ALFF數(shù)值均在中央前后回、左側(cè)尾狀核等腦區(qū)有所升高，但聯(lián)合治療組在中央前后回等腦區(qū)ALFF數(shù)值改變更為明顯，提示聯(lián)合治療組效果優(yōu)于單一治療組，并且ALFF數(shù)值的改變與運動功能的恢復(fù)情況密切相關(guān)。多個實驗證實ALFF、fALFF可以探究卒中后患者局部神經(jīng)元活動狀態(tài)并且可以映射全腦各個靜息態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并觀察他們的功能變化，能為臨床研究提供可靠依據(jù)并且推動臨床研究進(jìn)展,極具臨床研究及應(yīng)用前景。

2.2 腦區(qū)功能連接與運動功能重建

2.2.1 種子感興趣區(qū)的相關(guān)性分析 種子點分析法是目前臨床使用最多的研究靜息態(tài)腦功能連接(Functional connectivity,FC)的分析方法，該方法首先確定一個腦區(qū)為感興趣區(qū)并標(biāo)定此腦區(qū)為種子點(RIO)，然后計算RIO與其他腦區(qū)之間的相關(guān)系數(shù)，該系數(shù)的數(shù)值表示FC強度，再通過閾值提取與RIO相關(guān)的腦區(qū)并分析出腦區(qū)間的FC強度。這種功能連接的方式可以以RIO為基點構(gòu)建FC，以此進(jìn)一步探究腦網(wǎng)絡(luò)科學(xué)。通過腦區(qū)之間的FC變化來探究針刺對腦功能以及腦網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的作用已經(jīng)成為眾多醫(yī)者探究腦科學(xué)的研究方法。Chen等[23]基于種子點功能連接探究針刺陽陵泉(GB34)對腦梗死后運動障礙患者相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)的即刻作用的起效機(jī)制，患者做出任務(wù)運動期間捕捉激活顯著的神經(jīng)信號位置作為種子點，針刺組與假針刺組對比后發(fā)現(xiàn)針刺陽陵泉是腦內(nèi)患側(cè)顳葉以及對側(cè)舌回、對側(cè)小腦之間FC增強，說明針刺陽陵泉可以提升與運動相關(guān)腦區(qū)的FC與此同時降低健側(cè)運動皮層的代償作用，確定陽陵泉具有促進(jìn)運動功能重建的作用，并猜測針刺陽陵泉可以調(diào)節(jié)運動相關(guān)網(wǎng)絡(luò)是其發(fā)揮即刻效應(yīng)的主要作用機(jī)制。Chen等[24]探究針刺外關(guān)穴對腦梗死后偏癱患者中樞系統(tǒng)的影響，鎖定6個RIO腦區(qū)(雙側(cè)運動、感覺和基底節(jié)區(qū))，分析他們與其他體素之間的FC，發(fā)現(xiàn)針刺外關(guān)穴可以調(diào)節(jié)同側(cè)半球的感覺運動網(wǎng)絡(luò)，并對對側(cè)感覺運動網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生刺激，進(jìn)而調(diào)整兩個半球之間的功能協(xié)作并改善大腦與小腦的同步性，各個腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部腦區(qū)之間的連接變換可能是針刺外關(guān)穴發(fā)揮作用的可能機(jī)制。易小琦[25]以大腦雙側(cè)M1作為RIO與全腦腦區(qū)構(gòu)建FC，與健康者對比患者的FC顯著減弱，減弱的腦區(qū)主要發(fā)生在與運動相關(guān)的腦區(qū)；治療后患者腦內(nèi)M1的FC強度顯著增加，提示這可能是針刺促進(jìn)運動功能重建的可能機(jī)制。實驗證實種子分析法可以通過FC探究腦功能變化進(jìn)而研究針刺作用機(jī)制，但是其存在的弊端在于過于依賴種子點腦區(qū)，只能觀察到種子點的功能連接腦區(qū)，種子點的變化就會造成FC腦區(qū)的改變,這可能會影響實驗結(jié)果使其產(chǎn)生偏差。

2.2.2 獨立成分分析(ICA) ICA根據(jù)靜息態(tài)功能磁共振影像的數(shù)據(jù)成分選取出不同F(xiàn)C的腦網(wǎng)絡(luò)，并可以算出各個腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部或腦網(wǎng)絡(luò)之間的FC變化[26]，與種子點分析方法不同的是ICA是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的可以直接分離BLOD信號的分析方式，并不受先驗選擇腦區(qū)的限制，能夠提取出各不相同的獨立成分對應(yīng)于多樣的腦網(wǎng)絡(luò)。但目前使用ICA方法對腦卒中后運動障礙進(jìn)行研究的實驗為數(shù)不多，用針刺對腦效應(yīng)的影響則更為少有。

2.3 全局腦網(wǎng)絡(luò)與運動功能重建

以上分析方法不管是著眼于局部腦活動還是腦區(qū)之間的功能連接，他們所分析的問題都是關(guān)于局部腦區(qū)的神經(jīng)功能活動變化，然而大腦結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精密，是百億計的神經(jīng)元構(gòu)成的高度精巧的高級中樞系統(tǒng)，進(jìn)行繁雜的信息處理把控身體完成一系列生理活動。這一龐大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在近年間被神經(jīng)科學(xué)家所認(rèn)識，提出“人腦連接組學(xué)”并構(gòu)建出全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到大腦功能網(wǎng)絡(luò)[27]，該網(wǎng)絡(luò)是將神經(jīng)元/神經(jīng)元集塊/腦區(qū)三者之一作為節(jié)點，以他們之間的連通性作為邊的復(fù)雜腦功能網(wǎng)絡(luò)，可以通過基于圖論的分析方法來探究復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湓?，通過核心節(jié)點(根據(jù)節(jié)點度計算)、連接樞紐點(根據(jù)介數(shù)中心度計算)和節(jié)點局部效率來分析節(jié)點屬性；通過聚類系數(shù)、特征路徑長度度量全局小世界屬性[28]，通過全局效率、平局局部效率分析全局屬性。這樣的分析方法從節(jié)點到全局，能夠囊括全腦的動態(tài)變化，基于圖論分析全局復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)已然成為神經(jīng)科學(xué)的最新研究熱點[29]。這種方法同樣被引入針刺的中樞機(jī)制研究當(dāng)中，韓笑[30]發(fā)現(xiàn)針刺即刻效應(yīng)可以對全腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整使局部節(jié)點效率增加、功能分離現(xiàn)象轉(zhuǎn)好，還可以有效糾正腦網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)變換趨勢，并提示雙側(cè)半球輔助運動區(qū)(SMA)、雙側(cè)中央前回可能是針刺陽陵泉對運動功能改善發(fā)揮效用的重點腦區(qū)。陽陵泉的針刺效應(yīng)可能是針刺促進(jìn)運動功能重建的作用機(jī)制之一。復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)是將局部腦功能進(jìn)行全局整合的高能系統(tǒng)，從宏觀角度研究針刺對全腦水平的功能影響才能更加全面科學(xué)地揭示針刺的起效機(jī)制。

2.4 其他方法

體素鏡像同倫連接(VMHC)的分析方法主要研究人腦兩側(cè)半球之間的同步神經(jīng)活動，也就是分析一側(cè)半球的不同體素與對側(cè)半球同等位置的等位體素之間在時間序列上的相關(guān)性[31]。VMHC的特點在于他特異性地反映兩側(cè)半球之間信息傳遞效率的方式[32]，發(fā)生疾病后患側(cè)半球出現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能性的損傷，而這種損傷也會引起健側(cè)半球的改變，健側(cè)半球與患側(cè)半球之間的功能連接隨之變化，有研究指出[33]健側(cè)半球代償性激活程度增強是為了彌補患側(cè)半球損失的運動調(diào)控能力，但健側(cè)半球的神經(jīng)活動增強是否會對運動功能產(chǎn)生正性影響始終未定論[34-35]，所以運用VMHC關(guān)注半球間相關(guān)連接是極有意義的。江瀾[36]發(fā)現(xiàn)卒中后偏癱患者大腦雙側(cè)同倫功能明顯弱于健康受試者，遭到破壞的腦區(qū)主要發(fā)生在雙側(cè)小腦扁桃體、海馬附近區(qū)域、基底節(jié)區(qū)及中央旁小葉等腦區(qū)。經(jīng)過“手足十二針”治療后，患側(cè)肢體運動功能的重建與雙側(cè)小腦扁桃體的VMHC變化相關(guān)性最強。提示中風(fēng)后雙側(cè)腦功能泛化，而針刺時可以糾正這種現(xiàn)象增加雙側(cè)半球同倫功能，可能機(jī)制是通過雙側(cè)小腦扁桃體來調(diào)整整體運動功能進(jìn)而促進(jìn)運動功能的重建。

3 rs-fMRI在針灸治療中應(yīng)用的問題與展望

針刺不管從理論還是臨床效果都被現(xiàn)代醫(yī)學(xué)所認(rèn)可，但針刺的作用機(jī)制也是中外學(xué)者持續(xù)關(guān)注的重點問題，采用功能磁共振技術(shù)探究針刺作用的中樞機(jī)制的優(yōu)點在于具有無創(chuàng)性、極高的時間分辨率和能夠客觀科學(xué)的反映出大腦神經(jīng)活動[37]，并且隨著現(xiàn)代影像學(xué)進(jìn)展還會有更完善的可視化技術(shù)支撐針刺機(jī)制的研究。但基于rs-fMRI研究針刺的實驗當(dāng)中還存在著些許爭議，首先現(xiàn)階段的靜息態(tài)功能磁共振臨床實驗中均以健康受試者作為成像基線與卒中后患者進(jìn)行對比，雖然在納入時已經(jīng)指出要尋求年齡、性別相近的受試者進(jìn)行對比，但是腦功能在成長過程是呈現(xiàn)動態(tài)變化的,不同人所受到的教育、職業(yè)用腦程度和日常思維練習(xí)等都會很大程度地影響腦功能，即使性別相同、年紀(jì)相仿的人腦功能也會存在差異，這就會對后期腦功能的對照分析中產(chǎn)生影響；其次針刺即刻效應(yīng)的研究中，是在針刺之前[38-39]還是針刺之后[24]采集rs-fMRI作為療前靜息態(tài)影像依據(jù)，有學(xué)者認(rèn)為針刺后腦神經(jīng)活動會發(fā)生變化,不能達(dá)到靜息態(tài)水平，應(yīng)該在針刺前采集更為準(zhǔn)確[40]；再次樣本量直接影響數(shù)據(jù)分析情況，不同的樣本量產(chǎn)生實驗結(jié)果各有不同[41]，當(dāng)樣本量過少時統(tǒng)計學(xué)意義較差，現(xiàn)階段實驗當(dāng)中樣本量數(shù)量較少，這也跟核磁費用偏高有直接關(guān)系；最后針刺對照組的設(shè)置，目前絕大多數(shù)實驗都是由健康受試者組成健康對照組，意在與卒中后患者腦功能變化做對比，觀察卒中后患者異常腦區(qū)位置，用針刺組的治療前、后做對比，探討針刺作用機(jī)制，較少出現(xiàn)其他療法或聯(lián)合療法與針刺組進(jìn)行對比的臨床研究。

綜上所述，雖然近年間有眾多學(xué)者對針刺治療卒中后運動功能障礙的中樞機(jī)制進(jìn)行研究探討，但是目前并沒有給出一致性結(jié)論，呈現(xiàn)出說法各異的學(xué)術(shù)狀態(tài)。因此如何盡量縮小健康基線受試者與患者之間腦功能的差異、選擇即刻針刺效應(yīng)完全靜息態(tài)狀態(tài)、規(guī)范實驗樣本數(shù)量和把控對照組設(shè)置已然成為現(xiàn)在急需攻克的問題。要盡量排除環(huán)境、機(jī)器等外在干擾因素，并對受試者的納入進(jìn)行嚴(yán)格篩選，將rs-fMRI臨床試驗規(guī)范化、客觀化和統(tǒng)一化才能更有利于研究腦功能網(wǎng)絡(luò)、腦效應(yīng)的動態(tài)改變，以此為基礎(chǔ)才可以利用功能磁共振技術(shù)更加深入、系統(tǒng)地探討針刺起效的中樞機(jī)制。