静息态功能磁共振成像在针刺脑效应研究中的应用进展

刘佳惠,王东岩

(黑龙江中医药大学,哈尔滨 154040)

脑科学的“黄金时代”已经到来,静息态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)技术凭借着简易、信息稳定、更接近生理状态、重复性高的显著优势,越来越广泛在脑科学领域研究中被应用起来。就针灸脑科学领域来说,这项技术在针刺的脑效应机制研究中同样扮演着重要的角色,它能够更好地适用于针灸效应的特点采集,能够更真实、直观地反映静息状态下大脑由于针刺效应而产生的功能变化,从而为临床应用针刺治疗脑疾病提供强而有力的理论依据和科学依据。

rs-fMRI能够探测静息态下人脑自发功能活动,具有更接近生理状态、更适用于针灸效应的特点,根据静息态脑功能连接变化提取分类特征,已经逐步成为一种确实有效的数据处理及采集方法。在未来医学影像和人类疾病诊疗中会发挥不可估量的重要力量。本研究针对rs-fMRI技术在针刺脑功能研究中应用优势、相关研究内容及进展问题做出简单综述,现报道如下。

1 rs-fMRI技术在针刺脑功能的应用优势

静息态功能磁共振成像不仅具有高空间分辨率、可重复性高、信息稳定可靠、更贴近生理状态等优势[1],在对于脑区间功能联系、大脑自发活动及脑功能可塑性等方面的优势更为突出[2]。随着神经科学研究的不断推进,越来越多的学者将目光逐渐聚焦于大脑静息态的相关研究,针刺脑功能成像的研究更是成为了热点之一。相较于传统的功能磁共振成像技术,rs-fMRI技术在研究效应连接、多个脑区协调作用、脑功能连接方面优势更为突出,被广泛应用于针刺对脑网络影响的研究。实现了可视化的研究脑功能变化,能够更好地贴近于临床研究的实际情况,更为客观地评估针刺效应,对于临床疾病的研究价值更是无可估量。不仅如此,rs-fMRI技术对于客观化地分析针刺所激活的脑区也具有重要意义,为针刺脑效应的研究提供重要的技术支持。

2 rs-fMRI技术在针刺脑功能的相关研究

2.1 数据分析方法

静息状态作为人脑最复杂的一种脑活动状态[3],数据分析方法也是多种多样,目前应用较多的方法有如下几种,①低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation, ALFF),静息态fMRI信号具有低频的自发性振幅或波动,计算0.01～0.08 Hz内所有频率点上幅值的平均值来表示一个体素自发活动的强弱[4]。其主要是针对于局部脑区活动幅度的测量。ALFF值的强弱变化能够反映大脑各区域代谢活动的强度[5],最为重要是,ALFF对于评价针刺后效应的中枢机制改变具有重要意义。另有相关试验证明,电针刺激能够促使更多的脑区 ALFF信号发生改变。②局部一致性方法(regional homogeneity, ReHo),主要是区域内体素之间时间序列上的一致性反映,针对于局部脑组织的同步性活动,对局部结构和血流动力差异不敏感能够更好地适用于观察任务和静息状态下的脑功能活动。目前已经有学者通过 ReHo方法探索电针刺激脑区的功能连接变化。③独立成分分析(independent component analysis, ICA),主要是将原图像分解成用来呈现不同模式的功能连接的成分图像,并进一步进行分析图像确认结果。④线性相关(linear correlation),研究感兴趣区域之间的线性相关程度,判断在功能上有无连接[6]。

2.2 图像采集时间点的选择

目前,关于针刺脑效应研究的图像采集时间要求相对宽松,大都选择在针刺治疗前、后各扫描一次[7]。rs-fMRI图像采集时间是否恰当对结果解读具有相当重要的影响,然而,目前对于研究针刺脑效应的图像采集时间点尚未有明确的标准,且存在较多争议,从针刺完成后的15 min至7 d的时间不等。在进行课题方案设计时,采集时间的选择,应考虑多方面因素,比如患者素体状态及配合情况、刺激方式及强度、刺激区域等,尽可能避免针刺应激对数据采集的影响[8]。

2.3 样本量的选择

样本量的选择是否充分、合理是rs-fMRI研究结果是否可靠的重要影响因素之一。受到fMRI统计分析方法多样性及机制分析复杂性的影响,传统的样本量计算方法并不能够完全适用于fMRI样本量的估算,可操作的样本量计算方法还有待进一步研究。Desmond JE等[9]针对性分析了样本量的选择问题,通过试验证明12例样本量具备稳定的统计效力,且为最小样本量。为确保脑功能激活差异结果相对客观,样本例数需要大于12例。一些团队在针刺脑效应的相关研究中样本量的选取分别为13例、18例,所获得的试验结果均具有统计学意义[10-11]。罗马工作团队[12]也有相近观点,报道指出为求得客观结果样本量约在12～18例。从徐春生等[13]试验结果指出针灸脑效应的样本量对研究结果影响显著,但样本量的具体数量还有待研究。考虑到脱落及情绪不稳定等导致数据不能够使用等因素,在进行课题方案设计时,在条件允许的范围内,应该选择尽可能充足的样本量以降低研究结果的偏差。

3 静息态脑功能磁共振技术的应用进展

3.1 rs-fMRI技术与针刺镇痛效应的相关研究

针刺镇痛效应机制的研究是针灸学走向科学化、国际化的先锋,符合国家中医现代化发展的战略方针。现如今,针刺镇痛效应的认可度和关注度在国内外都有明显提高,而针刺作为一种绿色非药物的镇痛疗法已被临床逐步熟识,近几年来有关学者关于针刺镇痛效应从不同学科、多个角度的研究更是层出不穷。静息态 fMRI的针刺镇痛效应研究已逐渐吸引了国内外研究员的眼球,逐步成为研究热点。已有研究证实,ReHo方法对于分析不同针刺方法在相同脑区的镇痛传入机制的异同性具有重要意义[14]。基于静息态脑功能磁共振技术的实验研究提出,针刺镇痛是需要诱导时间的,其效应是以缓升缓降为特点的生理过程,除了针刺即时效应以外,静息态脑活动网络产生持续针后效应也存在可能性[15],尤其对于脑默认网络的影响更为凸显。相关研究证实,作为脑激活区的岛叶可能与针刺镇痛效应的产生密切相关[16];有证据指出,针刺的镇痛作用可能是通过调节 LPNN和疼痛中枢网络的活动而实现的[17]。相关试验研究证实,针刺丰隆穴能有效激活主管疼痛的相关脑区,认为穴位刺激激发的脑区活动,可能是该穴位实现镇痛作用的中枢机制之一。李霁等[18]利用静息态fMRI技术,在临床中通过针刺治疗坐骨神经痛患者发现针刺镇痛的机制可能与其对DMN的调节有关。也有研究发现,穴位的配伍应用是实现对脑默认网络调控从而发挥镇痛效应的方法之一,有学者通过静息态脑功能成像分析研究,推测针刺镇痛效应与多个脑区协同调控密切相关[19]。基于静息态 fMRI的针刺效应研究实现了对针刺镇痛机理不同维度、不同学科的联合研究,对推动针灸事业的发展起到重要的助力作用。

3.2 rs-fMRI技术与针刺的醒神益智作用

rs-fMRI对脑科学研究的推进助力是意义非凡、影响深远的。关于针刺脑效应的多层次、多维度研究也是现如今针刺效应机理的热点、难点,关于针刺脑效应的研究是一个不断推翻、反复论证的过程。静息态fMRI研究分析结果通过脑区ALFF信号具有明显变化,肯定了针刺疗法醒脑调神、兴奋脑神经,从而整体性调整患者状态的治疗作用[20]。蒋垂刚等[21]提到,针刺太溪穴时,在大脑双侧及深部均有激活,靶向激活了与认知、记忆密切相关的病变脑区,对相关脑区具有特异的调节和整合进而发挥醒脑调神的作用。研究指出,电针心经穴能够引起脑网络功能连接的变化,尤其与精神、神志及智力相关脑区的影响最为密切[22]。陈尚杰等[23]对患者水沟穴留针时的脑功能连接变化展开探讨,从而肯定了针刺水沟穴具有醒脑调神导气的直接作用,认为本穴位刺激与认知脑区的激活存在必然联系。静息态功能磁共振研究[24]证实,针刺百会穴能有效改善脑区间的功能连接,进而达到醒脑调神、改善认知功能的作用。有研究[25]表明,卒中后患者脑区功能的连接能力会出现不同程度的改变,针刺干预手段能有效激活默认网络的功能连接,从而实现对卒中患者认知功能的改善。付平等[26]研究指出,电针足三里穴对相关的脑区存在激活作用,可能在一定程度上改善认知功能,进而发挥醒脑调神的作用。掌握针刺对脑内的功能连接及活动机制有赖于影像科学的技术支持,rs-fMRI技术或许能够成为探索针刺脑效应的核心技术力量。

3.3 rs-fMRI技术关于针刺其他效应的研究进展

随着影像科学的不断发展,rs-fMRI技术目前已广泛应用于脑网络的相关研究,特别是在默认模式网络的研究。穴位效应的多层次研究也是近年来针刺效应的热点,而针刺经穴引发的中枢效应更是研究热点中的难点、重点,rs-fMRI技术对研究针刺中枢响应有潜在价值[27]。方继良等[28]关于电针后脑功能动态变化研究,推测电针对“边缘叶-前额叶网络”有激活作用。此外,关于不同强度的电针刺激是否对脑功能区域的激活存在影响也存在争议,需要未来做更深一步的试验研究。QIU K等[29]通过文献研究分析提到,脑网络的复杂性和针刺手法的多样性对针刺-神经成像技术有了更高标准质量把控的要求。不同脑区有间断、持续、双向和一过性的不同激活方式,针刺应答也存在复杂时间依赖特点,这也是研究针刺的脑效应机制的难点。临床研究发现,rs-fMRI技术为针刺治疗卒中患者改善其损伤脑区的运动神经元活动提供了直接影像证据。该技术对于实现腧穴与脑的关系探索具有重要意义。相关研究指出,电针刺激上巨虚穴能够刺激功能性肠病患者脑区的功能连接,使作为内脏高敏的皮层枢纽的双侧岛叶呈负激活,进而推测患者的改善效应与之相关[30]。有学者通过临床试验研究,对比假针刺组、假穴位组与太冲穴的脑区之间的连接变化,证实了该穴位具有激活情感认知功能脑网络的重要作用。基于rs-fMRI技术研究针刺脑效应的文献提到,针刺生理心理疼痛稳态的重建可能是通过处理内源性疼痛、情感和认知功能的脑区整体调控实现的。随着静息态功能磁共振在脑科学领域的不断发展,有研究学者指出,该技术在神经、精神类疾病的病理机制研究方面优势更为突出,能更为全面且直观地反映脑网络的功能连接[31]。有关于电针头穴刺激治疗卒中机制的研究指出,静息态功能磁共振数据分析能够更加直观地反映出,电针与静留针头穴刺激对脑内特定相关功能区域影响差异,进一步明确指出了电针相较于传统针刺的优势点[32]。此外,通过手针与电针的试验对比研究发现,两者静息态下激活的脑区存在明显差异,推测两者可能存在着截然不同的调节机制[33]。曲姗姗[34]通过采集抑郁症治疗前后静息态fMRI并进行数据分析,发现电针百会、印堂可能通过靶向性激活抑郁相关脑区而起到治疗的作用。

4 rs-fMRI技术处理的争议

针刺脑效应的研究是一个漫长且具有挑战性的过程,rs-fMRI技术在针刺中枢机制的研究中优势突出、前景广阔。rs-fMRI技术是探索针刺对脑功能连接变化及脑内活动机制的技术桥梁,对于脑疾病的研究价值更是不言而喻。rs-fMRI成像的准确性受到诸多因素的影响[35-36],因此在研究时可能存在一部分假阳性结果。所以,数据处理计算方法、样本量的大小、试验设计是否严谨合理、图像数据采集时间是否恰当、幽闭境况下心理波动、机器自身噪声、患者不自主运动等都需要考虑。此外,对于受试者来说在接受针刺治疗时也可能存在一定程度的情绪波动、思维活动,受试者的素体状态,施术者针刺操作频率、强度、刺激区域等存在差异,以上这些也会在一定程度上影响对脑功能的指标检测。在今后,如何更科学、客观地设计是研究者接下来努力的方向。

5 讨论

rs-fMRI技术目前已成为掌握针刺对脑内的功能连接及活动机制、甚至是整体脑网络探索的核心辅助技术,但其仍处于成长期,同样需要日渐完善和不断成熟,在研究针刺的神经机制方面也需要不断深入。目前来说,针刺脑效应的静息态磁共振成像技术研究是一项具有广阔前景且极具挑战性的任务。针刺的脑效应是复杂的且影响因素诸多,在未来的研究中,以严谨科学的课题设计为前提,以现代科学技术为支点,围绕疾病展开研究,建立一套系统化、科学化、规范化的研究计划,最终实现科学化评估针刺脑效应的目的。