丘脑在经皮穴位电刺激镇痛效果中的作用

张磊，罗芳，李欢冬，王保国，刘晓媛

针刺镇痛是中医针灸研究领域最具标志性的成果之一。业已证实经皮穴位电刺激(transcutanous acupoint electrical stimulation,TAES)具有与针刺相似的镇痛效应。大量研究表明，丘脑是与疼痛及镇痛密切相关的脑区[1-3]。本研究以丘脑为感兴趣脑区(ROI)，以健康志愿者为研究对象，利用功能连接的分析方法，探讨丘脑在TEAS中枢镇痛机制中的作用。

1 资料与方法

1.1 一般资料 经首都医科大学附属北京天坛医院伦理委员会批准，选择健康受试者14例，男、女各7例，均为右利手，无明显系统并发症，ASA分级为Ⅰ～Ⅱ级，年龄(30±8)岁，身高(164±7)cm，体重(58±10)kg，体质量指数(BMI)(21±3)kg/m2。排除标准：精神神经系统疾患史，脑外伤史，颅脑手术史，对针灸有较多了解或较长经历，长期服用镇静、镇痛药物史，长期大量吸烟、饮酒史，有磁共振扫描禁忌。所有受试者于实验前已清楚了解实验方法、目的及相关知识，并签署知情同意书。

1.2 穴位及电刺激参数 每位受试者接受两组穴位经皮电刺激，一组为金门穴连太冲穴，另一组为足三里穴连丘墟穴，穴位处贴3M电极片，并分别连接LH202H型韩氏穴位神经刺激仪(北京华卫有限公司)。电刺激频率为2 Hz、100 Hz疏密波，每3 s交替一次，2 Hz时波宽0.6ms，100 Hz时0.2ms，完全对称双向脉冲波；刺激强度为患者能耐受且不引起疼痛及不适的最大强度，其中金门穴连太冲穴为3～10mA，平均(6.9±2.6)mA；足三里穴连丘墟穴3～10mA，平均(7±2.3)mA。

1.3 实验设计 受试者扫描前6 h禁食，4 h禁饮。扫描前1 h定穴位，测试并记录电刺激强度。扫描前0.5 h开放左侧肘正中静脉，置入18号套管针，输入乳酸钠林格氏液200～300ml，并嘱受试者仰卧位闭目休息0.5 h。实验正式开始时，应用惠普监测仪实时监测心电图、无创血压(右侧上臂)及血氧饱和度(SpO2)。首先进行基础阶段扫描，包括定位、匀场、BOLD及3D结构相，持续约12min。基础扫描结束，开始经皮穴位电刺激，待刺激持续30min后，进行第二阶段BOLD扫描，即刺激后扫描，持续5min。

在数据采集过程中，被试仰卧于fMRI扫描床上,头部固定于线圈内，头颅与线圈之间用海绵垫填充固定以控制头动，同时使用耳塞并头带耳机以减少外界噪声的干扰。整个扫描过程中，要求受试者闭目、不动、不深入思考某一问题。实验过程约持续约50min。

1.4 数据获取 磁共振数据采集由北京天坛医院3.0 T西门子磁共振仪完成。功能像扫描参数如下：回波平面成像序列，轴状位扫描，重复时间(repetition time,TR)2 s，扫描层数32，层厚4mm，层间距0mm，回波时间(echo time,TE)30ms，反转角(flip angle,FA)90°，层内分辨率64×64。结构像扫描参数如下：矢状位扫描，TR 2100ms，扫描层数250层，层厚1mm，层间距0.5mm，TE 3.25ms，FA 10°，层内分辨率256×256。

1.5 数据分析 数据预处理所采用的软件及开发平台包括Statistical Parametric Mapping(SPM8，Wellcome Department of Imaging Neuroscience,London,UK)及MATLAB(The MathWorks，Inc.)。为减少 fMRI信号的不稳定性，在预处理时将150幅图像中的前5幅删除，并依次对图像进行采集时间校正、头动校正、空间标准化、空间平滑，等预处理。x、y、z 3个方向上平移头动幅度＜2mm，旋转头动角度＜2°。用线性回归方法去除线性漂移、全脑均值及6个头动参数对时间序列的影响，并对信号进行带通滤波(0.01～0.08 Hz)以去除低频漂移和高频噪音的影响，得到低频振荡信号。

1.6 感兴趣区分析 以丘脑作为种子点，采用已广泛使用的软件WFU_PickAtlas将左右两侧AAL分区的丘脑选择为ROI，分别取左、右丘脑，丘脑平均时间序列作为参考序列，计算全脑每个体素与该参考序列的相关系数，并通过Fish's r-to-z变换，将相关系数转换成z值。设定单个体素的阈值为P＜0.005,cluster＞10mm3。

2 结果

与基础状态比较，经皮穴位电刺激后，各项生理参数均无明显变化。见表1。

表1 经皮穴位电刺激对生理参数的影响(n=17)

与基础阶段比较，经皮穴位电刺激30min后，与丘脑功能连接减弱的脑区包括：双侧楔前叶、双侧顶上小叶、左侧颞下回、右侧颞中回、右侧额中回；与丘脑功能连接增强的脑区包括：双侧小脑、双侧岛叶、基底神经节、双侧额下回、左侧额叶眶回、左侧颞上回(图1、图2)。功能连接变化的脑区对应的坐标及T值见表2。

3 讨论

针刺镇痛是中医针灸研究领域最有标志性的成果之一。大量临床实践已证明，针药复合麻醉下开颅手术可以明显减少麻醉药用量。但针刺麻醉及镇痛的确切中枢机制仍不清楚。经皮穴位电刺激是一种经皮神经电刺激(TENS)与针灸穴位疗法结合的新型针灸治疗方法，业已证实具有与针刺相似的镇痛效应和外周、中枢作用机制，并因具有无创伤、易操作、患者依从性好、外科医生易配合等优点而广泛应用于临床及科研中[4-5]。

fMRI因具有较高的时间、空间分辨率，无放射性等优点而成为无创进行人脑功能研究的最主要工具。近年来已有学者利用fMRI的时间、空间分辨优势，观察经皮穴位电刺激前后脑区间功能连接的变化，为临床针刺对于脑功能的影响提供实验依据。功能连接是指空间上分离的部位，在神经生理活动过程中的相互关系[6]，是根据不同脑区时间过程的相关性来研究其间的功能连接性。2007年，有人提出用静息态功能连接度的分析方法来研究针刺[7]。

图1 经皮穴位电刺激后功能连接变化(横断面，P＜0.005,cluster＞10mm3)

图2 经皮穴位电刺激后功能连接变化(冠状位，P＜0.005,cluster＞10mm3)

表2 与丘脑功能连接发生变化的脑区

大量研究表明，丘脑是与急慢性疼痛、镇痛密切相关的重要脑区[8-12]。近年来，亦有部分研究指出丘脑在针刺、TAES镇痛过程中被激活[1-3]。

本研究结果显示，经皮穴位电刺激30min后，相较基础阶段与丘脑功能连接减弱的脑区包括双侧楔前叶、双侧顶上小叶、左侧颞下回、右侧颞中回、右侧额中回；与丘脑功能连接增强的脑区包括双侧小脑、双侧岛叶、基底神经节、双侧额下回、左侧额叶眶回、左侧颞上回。上述脑区与以往关于疼痛及镇痛机制研究中显示的结果相似。

岛叶是所有脑叶中惟一位于脑白质内的皮质，参与情绪刺激的自主调节、对不良刺激的评估，以及自我感受等内在情绪的产生，并被认为能起到调节疼痛的作用[13-14]。楔前叶是人脑子网络中的关键性节点，在信息调度和传递中占据重要地位，并作为大脑的高度警备活动状态的脑区，负责不断地收集周围世界和我们自身的信息(例如疼痛、饥饿或渴)，自动对这些资源进行分配[15]。基底神经节由尾状核、苍白球、壳核组成，其主要功能为自主运动的控制，同时还参与情感、记忆、奖励学习等高级认知功能。运动皮层也参与对刺激强度的分辨。有fMRI研究发现，痛觉刺激使同侧小脑激活的程度随刺激强度增加而增加。额叶是认知和情感活动的主要脑区，能对外来刺激进行分析和整合，评判其重要性，进而判断这个刺激的动机价值[16]。颞叶对人类的情绪与心理活动起着重要的作用。Hsieh等对慢性单神经痛患者采用利多卡因(1idocaine)行局部神经阻滞，发现疼痛缓解的同时，岛叶、后顶皮层、前额叶、小脑和前扣带回的右后部分双侧局部血流量减少[17]，与本研究中与丘脑功能连接发生改变的脑区相似。

本研究表明，丘脑在TAES镇痛过程中同多个与疼痛相关的关键性脑区之间发生了功能连接的改变。这些脑区同时涉及疼痛信息的感觉辨别成分和认知、情绪调节成分。可以认为，丘脑在TAES中枢镇痛机制中起到了重要作用，而小脑、楔前叶、岛叶、基底神经节、顶上小叶、额叶眶回、额中回、额下回、颞叶等脑区与丘脑间功能连接的改变是丘脑镇痛机制的重要组成部分。此外，丘脑及上述脑区有可能参与了TAES镇痛过程中形成的脑网络。有关上述脑区在TAES镇痛机制中的作用，及TAES镇痛状态下所形成的脑网络有待进一步研究。

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