中医药临床疗效研究中多模态fMRI 的应用

王建军，郑浩涛，华 骏，周流畅，刘立瑾，林松俊，蔡浩斌，虢周科

（广州中医药大学第四临床医学院 广东省深圳市中医院，广东 深圳 518033）

fMRI 技术是认知神经科学领域的前沿影像技术［1］，能从整体水平对人脑进行信息的定位，并反映“整合”和“分离”的信息连接模式，符合中医药“整体观念”的学术范式。fMRI 技术应用到中医药临床研究中，是中西医结合创新研究的新方向。王永炎院士曾探讨将fMRI 技术运用于中医药临床疗效研究的方法学［2］。随着脑科学的发展和高场强MRI 的普及，越来越多的临床研究应用不同模态的fMRI 技术表征中医药的临床疗效［3-4］，取得了可喜成果。本文从fMRI 技术层面系统报道该领域的研究现状、问题及前景。

1 资料与方法

1.1 资料来源与检索方法 资料来源为PubMed、EMbase、中国生物医学文献数据库（CBM）、中国期刊全文数据库（CNKI）、维普数据库（VIP）、医学万方数据库。文献检索语种为中文和英文，中文检索词包括但不限于：“中医”、“中药”、“辨证”、“fMRI”、“功能磁共振”、“低频振荡振幅”等，英语检索词包括但不限于“Chinese Medicine”、“Chinese herbs”、“formula”、“syndrome differentiation”、“ReHo”、“ALFF”、“fMRI”、“BOLD”。检索时间均为建库至2018 年12 月。对于内容基本相符或可进一步进行引文追踪的文章，下载原文进一步筛选，直至获得与纳入、排除标准相符合的所有文章。

1.2 文献纳入与排除标准

1.2.1 纳入标准 ①自建库至2018 年国内外公开数据库收录的关于中医药临床疗效的fMRI 研究文献。②fMRI 以BOLD、DTI 或MRS 为主要扫描序列。

1.2.2 排除标准 ①文献中未涉及fMRI 扫描序列，如仅使用T1WI；②文献不以中医药临床疗效为主要研究内容，仅在论述中提及；③文献以穴位、经络或针灸为主要干预手段；④文献数据完整性及准确性差；⑤文献来源于简讯、会议摘要、声明、通知、广告等；⑥一稿多投或重复（此类文章仅统计发表时间最早的一篇，如学位论文与期刊论文重复，则以期刊论文为准）。

1.3 文献筛选、提取及质量评价 根据检索策略检索出相关文献，由2 名评价员独立筛选文献和提取资料，剔除不符合条件及重复的研究。2 人交叉核对，如遇分歧则通过讨论或交由第3 位具有高级职称的研究者决定，缺乏的资料尽量与作者联系予以补充。资料提取内容主要包括：受试者基本信息、研究类型、研究对象的基本特征、干预措施、扫描序列及关键参数、效应指标及主要研究结论。由统一培训的评价员根据改良的JADAD 评分法进行评分（1～3 分视为低质量，4～7 分为高质量研究）。

1.4 统计学方法 采用定性分析策略综合评价fMRI技术运用于中医药临床疗效研究的现状。

2 结果

2.1 文献检索情况 共检索到中文文献3 938 篇，英文文献133 篇，排除重复423 篇，标题与摘要筛查后排除明显与研究主题无关的文献共3 256 篇，根据纳入及排除标准全文筛查后排除246 篇，得到与中医药相关的fMRI 研究文献共146 篇，逐一阅读原文，纳入研究对象为人或动物，干预方法为中药汤剂、中药胶囊等中医药临床疗效的fMRI 文献47 篇。其中，中文期刊论文22 篇，学位论文19 篇，英文SCI论文6 篇。

2.2 纳入文献的基本特征 该领域最早的文献发表于2005 年，并一直保持2 篇/年的增长态势，自2015年开始该领域的文献呈爆发式增长，其中2017 年达到高峰，为10 篇（图1）。从所涉及的疾病来看，研究对象主要集中在神经精神疾病，其中15 篇研究认知障碍、8 篇研究脑血管病、5 篇研究情感疾病、4 篇研究运动障碍、3 篇研究多发性硬化及研究颈内动脉狭窄、卒中后抑郁、肌萎缩侧索硬化各1 篇。少数研究则涉及其他系统疾病，如5 篇研究肠易激综合征，另外研究健康飞行员、前部缺血性视神经病变、小儿厌食症及慢性疲劳综合征文献各1 篇。所涉及的干预方式主要是中药汤剂和中成药，11 篇研究使用安慰剂对照，其余均与西药对照或空白对照。从所使用影像模态看（表1），27 篇（57.45%）文献使用BOLD模态（其中14 篇使用静息态的研究设计，13 篇使用任务态的研究设计），13 篇（27.66%）使用MRS 模态，4 篇（8.51%）使用DTI 模态，2 篇（4.26%）同时使用BOLD 序列和DTI 序列，1 篇（2.13%）使用MRS 和DTI 技术。

图1 纳入文献发表年份频次分布图

表1 fMRI 模态及统计参数频数分布 篇（%）

2.3 静息态BOLD 静息态和任务态是基于BOLD序列的2 种基本研究范式，数据驱动和理论驱动是2种基本的数据分析方法［5］。低频振荡振幅主要根据脑区的低频振荡信号来反映神经活动的强弱［6］，局部一致性（ReHo）理论认为具有相同功能的局部脑区内部不同提速时间序列具有相似性，且这种相似性因疾病的影响而发生改变［7］。此类分析技术可刻画疾病带来的局部脑区功能变化，是rs-fMRI 研究最常用的分析技术。

基于ROI 进行种子点的选择是基于先验理论的研究范式。本研究纳入文献中5 篇［8-12］使用了基于ROI 的功能连接来研究中医药临床疗效，因其关注点不同，所选择的ROI 也不同。2 篇关于帕金森病的研究［10-11］关注基底节区相关功能网络改变，2 篇关于认知障碍疾病研究［9，12］关注前扣带回PCC 相关功能网络改变，另1 篇关于脑梗死的研究［8］关注运动皮层与小脑之间的功能连接。值得注意的是，一篇来自学位论文的研究［12］提示，治疗后的2 组间后扣带回功能网络连接组间差异无统计学意义。

独立成分分析（ICA）是一种典型的数据驱动分析技术。5 篇文献［4，13-16］使用该分析技术研究功能子网络的组间差异，其中4篇［4，13-14，16］聚焦于默认网络（DMN），而另一篇［15］基于ICA 还分析了额顶网络及突显网络等功能自网络。其中1 篇学位论文［16］提示，治疗后2 组DMN 组间差异无统计学意义，笔者考虑2 组在基线的脑功能连接差异有统计学意义，而治疗后这种差异的消失可能与中药组的疗效有关。

ReHo、低频振幅及比率低频振幅也是rs-fMRI 常用的数据驱动分析方法，但与ICA 和ROI-FC 分析不同，这类指标反映的是疾病造成的局部脑区功能变化。本研究中4 篇文献［17-20］采用上述分析技术，其中3 篇［17-19］研究抑郁症，1 篇［20］研究轻度认知障碍，结果均提示中药组和西药组在局部脑区不同的神经反应模式。

2.4 任务态BOLD 组块设计和事件相关设计是最常见的fMRI 任务设计。纳入的文献中，仅1 篇［21］使用事件相关设计，余12 篇［22-33］使用组块设计。其中5篇以肠易激综合征为研究内容［22-26］，采集了直肠气囊扩张刺激后相应的激活区变化幅度、面积及曲线等指标，但这些研究均集中在2005—2008 年，以后未见类似研究设计。2 篇关于认知障碍的文献［27-28］使用了stoop 任务，2 篇关于认知障碍的文献［29-30］使用了n-back 工作记忆任务，1 篇关于健康飞行员的文献［31］使用了气球模拟风险任务，1 篇关于中风后肢体运动功能的文献［32］使用了五指对掌的研究任务，另一篇关于小儿厌食症的文献［33］分析了口服葡萄糖的研究任务下丘脑的信号响应变化。所有的任务态MRI 研究均与临床疗效进行相关性分析，为临床疗效提供影像学证据。

2.51H-MRS MRS 技术是检测活体组织能量代谢、生化改变及化合物定量分析的一种无创性影像技术。该技术在效应指标选取上较统一，13 篇文献均通过设置ROI，测定局部脑区的N-乙酰天门冬氨酸（NAA）、肌酸（Cr）、胆碱（Cho）及乳酸（Lac）含量，并计算其比值。纳入文献中，6 篇关于认知障碍的文献［3，34-38］和1篇关于卒中后抑郁的文献［39］关注额叶及海马区的生化改变，其中黄侃［39］定义前额叶ROI 大小为20 mm×20 mm×20 mm，海马区ROI 为15 mm×15 mm×15 mm，预扫描自动匀场要求半高全宽≤6，水抑制在98%以上；孙前明［38］采用多体素序列采集海马及后扣带区域波谱，体素大小为100 mm2，未分析波谱曲线的选取标准；谭子虎等［3，35］限定在12：00-14：00 进行扫描，以排除生物节律干扰，但与其他3篇文献［34，36-37］相同，均未分析ROI 大小及波谱曲线的选取标准。1 篇关于慢性疲劳综合征的文献［40］选取双侧海马区作为ROI，波谱曲线的选取标准为半高全宽＜15，水抑制＞95%，未定义ROI 大小。2 篇关于脑梗死的文献［41-42］则关注梗死灶、周围区和（或）病灶对侧镜像区Cho/Cr、NAA/Cr 和Lac/Cr 比值，其中吴明华等［42］定义ROI 的大小为8 mm×8 mm×8 mm，未分析波谱曲线的选取标准，而张金凤等［41］未分析ROI 的大小及波谱曲线的选取标准；1 篇关于多发性硬化的文献［43］选取病灶实质区域和病杜对侧正常白质区域作为ROI 分析各代谢产物的峰值和比值，大小为10 mm×10 mm×11 mm，未分析波谱曲线的选取标准；1 篇关于颈动脉狭窄的文献［44］选择较大的半卵圆中心作为ROI，大小为16 mm×16 mm×20 mm，未分析波谱曲线的选取标准；1 篇关于帕金森病的文献［45］以双侧黑质对称部位作为ROI，大小为1.5 cm×1.0 cm×2.0 cm，波谱曲线的选取标准为半高全宽＜13，水抑制＞99%。

2.6 DTI DTI 是在DWI 基础上发展起来的脑功能成像技术，是一项显示组织内微观结构的新型成像技术［46］。本研究纳入的文献中共4 篇使用了该技术，且其检测指标较统一，均通过定义ROI 的方式检测所关注的局部脑区部分各向异性（FA）、平均扩散率（MD）、相对各向异性（RA）及ADC 值。1 篇关于肌萎缩侧索硬化症的文献［47］计算了FA 值，扩散敏感梯度方向为23 个，共定义6 个ROI，面积15～30 mm2；1篇关于前部缺血性视神经病变的文献［48］计算了FA、MD、RA 值，扩散敏感梯度方向为64 个，共定义6 个ROI，大小约5 个像素；1 篇关于脑梗死的文献［49］在梗死中心区及对侧镜像区选取ROI，测量FA 值、ADC值，并分别计算了rFA（病灶/镜像区FA 值）和rADC（病灶/镜像区ADC 值），扩散敏感梯度方向为30 个，未定义ROI 大小；另一篇针对多发性硬化的文献［50］计算了FA 和ADC 值，扩散敏感梯度方向为64 个，共定义6 个ROI，大小约5 个像素。

2.7 BOLD、DTI 及MRS 联合运用 在纳入的文献中，3 篇联合使用了不同的fMRI 模态。其中1 篇［51］以脑梗死为研究对象，同时使用了BOLD 和DTI 序列研究针药结合的临床疗效，仅报道了激活频率、激活体积及FA、ADC 值等研究指标，未报道扩散敏感梯度方向数。一篇针对中风病的研究［52］同时采用BOLD 与DTI 序列，在BOLD 序列中报道了ReHo 值，在DTI 中以皮层下锥体束走行多个脑区作为ROI，分析其FA/MD 值的组间差异，并在DTI 数据处理的基础上重建扩散张量纤维示踪图（DTT 图）进行组间比较，但未报道ROI 大小及扩散敏感梯度方向数，值得注意的是，在相关性研究中，FA 值与中西医量表评分变化无相关性，仅MD 值与部分临床特征有相关性，且未报道ReHo 与临床特征的相关性研究结果。另一篇关于多发性硬化的文献［53］同时采用DTI与MRS 序列，在MRS 中选取病灶实质区域和病杜对侧正常白质区域作为ROI 分析各代谢产物的峰值和比值，定义ROI 大小为10 mm×10 mm×11 mm，未报道波谱曲线的选取标准；在DTI 中采用了同样部位及大小的ROI，并检测其FA 值及ADC 值，未报道扩散敏感梯度方向数。

3 讨论

BOLD 信号是一种由神经活动引起的血氧水平依赖信号，可间接反映神经活动的强弱［54］。本研究纳入的文献中，BOLD 模态占比超过了50%，是中医药临床疗效研究领域主流的功能神经影像技术。静息态fMRI 和任务态fMRI 在中医药领域均得到充分地应用。相比之下，静息态仅需在安静、休息状态下进行扫描，而任务态则需受试者在扫描过程中完成特定的任务或接受特定的刺激，因此增加了研究的难度与时间成本。从发表文献来看，任务态的研究多在师范类院校完成或有心理学背景的专业人员参与，进一步支持了这个研究现状。在静息态中，目前研究多集中在局部脑区功能和环路异常2 个层面，更进一步的研究是基于全脑网络的研究，代表性方法为基于拓扑理论的小世界属性研究，但纳入的文献中未发现此类研究，未来可进一步深入拓展。理论驱动和数据驱动的数据处理方式均得到运用，但后者能有效避免先验理论的影响，符合中医药前期相关研究不足、多靶点疗效未知的现状，可进一步拓宽研究的广度与深度。

DTI 与MRS 可分别检测脑内微观结构损害和神经化合物变化，反映了疾病不同维度特征，为疾病神经机制研究有效的研究工具。尽管本研究纳入的所有DTI 研究均聚焦于具有器质性损害的神经科疾病，但与MRS 相同，2 种MRI 模态均可广泛用于其他非器质性的神经精神科疾病。与BOLD 多样的效应指标不同，DTI 与MRS 研究的效应指标较为统一，但在不同的研究中效应指标具有较高的异质性，主要表现在：①由于研究需求及不同疾病关注焦点的差异，不同研究所限定的ROI 部位、大小存在差异；②不同研究的扫描关键参数不同或未规范报道，如扩散敏感梯度方向数、波谱曲线的选取标准。这些影像异质性限制了不同研究中结果的可比性，需今后进一步规范提高。

综上所述，中医药临床疗效的fMRI 研究呈爆发态势，不同的fMRI 模态均已得到较多应用，阴性结果值得引起重视。数据驱动的分析方式为中医药未知的多靶点疗效研究提供技术平台，多种影像模态的效应指标融合与节点-环路-网络的靶点融合，提供了不同维度的功能影像学信息，值得加强研究的深度与广度，以更好地探讨中医药临床疗效的中枢影像机制。