基于皮质分析睡眠剥夺后针刺神门穴对大脑局部一致性的影响

冯思同 贾竑晓 郑思思 姚 昊 冯正田 刘鑫子 蔡永丽 宁艳哲*

(1.首都医科大学附属北京安定医院 国家精神心理疾病临床医学研究中心 精神疾病诊断与治疗北京市重点实验室，北京 100088；2.人脑保护高精尖创新中心 首都医科大学，北京 100069；3.北京中医药大学东方医院针灸科，北京 100078)

睡眠剥夺(sleep deprivation, SD)是指由于自身或外界因素导致个体睡眠缺失，睡眠时间少于4 h，从而引起心理及生理功能改变的状态[1]。研究[2]显示24 h SD会导致个体的情绪、学习记忆、认知功能和免疫力等一系列的异常改变，严重影响心理和身体健康。更为重要的是，睡眠剥夺24 h后会造成认知功能和工作效率降低30%左右[3]。静息态功能磁共振成像(resting state function magnetic resonance imaging, rs-fMRI)相关研究[4-5]表明SD后个体的脑神经功能会发生改变，其中局部一致性(regional homogeneity, ReHo)在不同的脑区有异常改变。2004年有研究者[6]提出了采用ReHo来分析不同脑区功能活动的特点，并且可以评价基于体素组成不同团块的相似性。以往的影像学研究[7]显示24 h SD多个脑区的ReHo值发生了异常改变，涉及到中央前回、颞叶和额叶等，这与个体情绪、学习记忆等功能改变密切相关。近年来，研究者一直在寻求可改善SD不良影响的治疗措施，包括药物和非药物手段。针灸是中医学的重要组成部分，在改善睡眠和认知方面取得较好的临床疗效，但相关的效应机制尚未明确。研究[8]显示针刺三阴交穴可明显改善24 h SD组的情绪相关脑区，并对脑网络活动有显著影响。然而，目前针刺神门穴对SD的脑功能活动影响的文献报道较少。因此，本研究运用rs-fMRI技术观察睡眠剥夺前后和针刺SD组受试者神门穴前后脑区ReHo的改变，旨在探究针刺神门穴对SD脑区ReHo变化的影响。

1 对象与方法

1.1 研究对象

健康受试者为北京中医药大学和首都医科大学在校学生，30名(男性16人，女性14人)，平均年龄(25.20±2.20)岁；受教育年限：(18.10±2.45)年；匹兹堡睡眠质量指数(Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI)评分(2.13±1.78)分。本研究已经获得首都医科大学附属北京安定医院伦理委员会批准[批件号：(2020)科研第(42)号-202065FS-2]，所有被试在实验开始前均自愿签署知情同意书，并且在试验阶段可随时退出。

1.2 纳入与排除标准

1.2.1 纳入标准

全部符合以下6项者： ①年龄18～35周岁，右利手；②睡眠正常，睡眠习惯良好，PSQI测试分数<5分；③近一年无明显的压力刺激、创伤以及其他应激状态出现；④无心、脑、肝、肾和血液等系统疾病；⑤无焦虑、抑郁、躁狂等相关精神疾病病史；⑥无磁共振扫描禁忌证。

1.2.2 排除标准

①有药物、乙醇、烟等依赖史者；②倒班工作者；③月经周期阶段、孕期、哺乳期或生育后不超过1年者。

1.3 试验流程

试验从早晨8:00开始到次日早晨8:00结束,于首都医科大学附属北京安定医院特定实验室内开展，主试人员全程陪同被试者以防止在睡眠剥夺过程进入睡眠状态。在试验前，告知被试者试验流程和注意事项，使被试者充分了解并配合主试人员。被试者需在睡眠剥夺前后和针刺后分别进行磁共振扫描，在磁共振扫描前，被试者需保持安静状态30 min以上，嘱其放松。睡眠剥夺前，先用静息态磁共振扫描8 min 10 s，随后进行T1结构像扫描。在睡眠剥夺过程中，被试者可以进行上网、打牌、玩游戏等自主活动，但不允许被试者服用兴奋或者抑制神经系统的食物或者药物。睡眠剥夺后24 h，被试者先静息态磁共振扫描8 min 10 s，随后进行针刺态磁共振扫描[9]，双侧神门穴进针，进针后进行平补平泻法捻针1 min，再留针8 min后取针。在结束针刺态扫描后T1结构像扫描4 min 10 s。

1.4 扫描设备与参数

本研究采用首都医科大学附属北京安定医院的磁共振设备，为德国西门子公司3.0T Prisma超导磁共振扫描仪。扫描参数：①功能像参数：视场(field of view, FOV)=225×225，数据矩阵(data matrix)=64×64，层厚= 3.5 mm，重复时间(repetition time, TR)=2 000 ms，回波时间(echo time, TE)=30 ms，翻转角(flip angle)=90°。②结构像参数为 FOV=250×250，矩阵=256×256，层厚=1 mm，TR=1 900 ms，TE=2.52 ms，翻转角=90°。扫描时使用海绵垫固定被试者头部，以防止头部运动，并且嘱其闭眼，不要睡觉，保持清醒，同时在每个扫描序列开始前提醒并查看被试者是否睡觉，扫描结束后询问被试者是否在扫描过程中入睡，明确所有被试者在实验过程中保持清醒。

1.5 针刺处理

①针刺穴位：神门穴，位于腕掌侧横纹尺侧端，尺侧腕屈肌腱的桡侧凹陷处，针刺深度0.3～0.5寸(1 寸≈ 3.33 cm)。针具为北京中研太和医药有限公司的一次性银质针灸针(0.30 mm×25 mm)。②质量控制：研究全程由两位针灸医师进行针刺操作，两人同时进针。进针得气后，采用平补平泻的手法，捻转1 min，静置留针8 min。

1.6 图像处理

首先使用MRI cro对功能磁共振的原始数据筛选，剔除图像伪影过大或不完整的数据，数据处理基于MATLAB2019a平台。应用中国科学院心理所开发的DPABISurf软件(http://rfmri.org/DPABISurf)对原始数据进行预处理[10]。首先，将数据格式转化为NIFTI格式，对T1加权图像进行校正、颅骨剥离、脑组织分割(针对提取的脑脊液、白质和灰质)，分割左右半球以及皮层下结构，随后重建脑皮质，以T1加权图像为模板进行空间标准化[应用蒙特利尔神经(Montreal Neurological Institute, MNI)空间]。随后，去除前5个时间点，以每个TR的中间时间体积定义为参考体积，并生成其颅骨剥离版本，进行时间校正、头动校正(头部移动超过2 mm或者旋转度超过2°的图像将被剔除)、空间标准化(空间归一化为MNI空间，并重新采样为2 mm的各向同性体素大小)。使用DPABISurf对皮质和体积功能数据进行协变量回归， 在软件运行过程中，为了计算某一个顶点的ReHo值，需要计算其最近邻顶点，并计算所有顶点血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent, BOLD)时间序列的Kendall一致性系数(Kendall’s consistency coefficient, KCC)，对整个大脑表面的每个顶点重复这个过程，形成全脑范围的ReHo图像，最后采用高斯函数对所有受试者进行空间平滑。

1.7 统计学方法

使用DPABISurf中的统计分析对ReHo图像进行配对t检验，得到睡眠剥夺前后和针刺神门穴前后ReHo变化的脑区。以P<0.01为差异有统计学意义，随后采用Bonferroni校正，以P<0.005为差异有统计学意义。最终结果展示包括有统计学意义的异常脑区的具体解剖位置、团块大小，最高点坐标及相应的峰值T值。

2 结果

2.1 24 h SD后ReHo值异常的脑区

与睡眠状态下相比，SD后可引起较多脑区ReHo值的改变(表1,图1)。其中ReHo值显著升高的脑区包括左侧第二视皮质、左侧中央前回、左侧颞横回、右侧初级视皮质、右侧颞上回和右侧中央旁小叶；而显著降低的脑区包括双侧后扣带回、双侧角回、双侧背外侧前额叶、左侧缘上回、左侧颞中回、右侧缘上回和右侧中央前回。

表1 24 h SD后ReHo改变的脑区Tab.1 ReHo in brain regions before and after 24 h SD

图1 24 h SD前后主要脑区的ReHo变化Fig.1 ReHo in main brain regions before and after 24 h SD

2.2 针刺神门穴前后ReHo值异常的脑区

基于ReHo值分析发现，针刺神门穴可引起左半球多个脑区的ReHo值改变。与SD后相比，针刺后ReHo值显著升高的脑区包括顶上回、背侧视皮质和颞中回；而针刺后ReHo值明显降低的脑区包括后扣带回、前扣带回、脑岛、背外侧前额叶、颞上回、眶部额下回、角回、颞下回和初级视皮质。而与SD前相比，针刺神门穴后各个脑区的ReHo值无显著性改变(表2，图2)。

表2 针刺神门穴后ReHo改变的脑区Tab.2 ReHo in brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

图2 针刺神门穴前后主要脑区的ReHo变化Fig.2 ReHo in main brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

3 讨论

神门穴是临床针刺的常用穴位，为手少阴心经的原穴，可调脏腑、通经络[11]。在《针灸大成》[12]中提到了神门穴的治疗范围：“神门，掌后锐骨端陷中……主心性痴呆，健忘，心积伏梁，大小人五痫”。此外，明代典籍《医学入门》[13]也提出：“神门主惊悸，怔忡，呆痴等疾，及卒中鬼邪，恍惚振禁，小儿惊痫”。针刺补泻神门穴能够宁心安神，广泛应用于治疗精神类疾病。以往的研究[14]显示，针刺治疗失眠症时选用神门穴治疗的频率最高，其治疗失眠疗效显著，是失眠症针灸治疗选用的“一级主穴”。现代医学研究[15-16]表明，针刺神门穴可以激活中枢神经系统，降低觉醒，促进深度睡眠，改善脑神经活动，缓解情绪。因此，本研究采用自身前后对照的试验设计，首先基于ReHo分析来观察24 h SD前后脑功能活动的改变，随后探究针刺神门穴对SD后脑功能紊乱的干预效应。

SD后个体的注意、工作记忆等认知功能和情绪均有不同程度的损伤，影像学研究[17]显示额顶网络与突显网络激活的程度有所降低，并且默认模式网络(default mode network, DMN)负激活减弱。尽管许多影像学研究观察到了SD后脑区的异常改变，但是目前尚无统一定论。ReHo值可以衡量在一个功能团块中的所有体素变化的一致性和相似性，同时可间接反映出局部脑区功能活动的时间同步状态，进一步推测相对应脑区的功能活动。本研究显示与SD前相比，SD后多个脑区神经活动的协调一致性功能异常，包括额叶、角回、中央前回等；而与针刺神门穴前相比，针刺后左半球多个脑区的局部协调一致性也出现了明显改变。

以往的研究[18]显示SD后个体的反应迟钝与大脑DMN的激活密切相关。静息态下DMN包含的脑区主要有后扣带回、角回、内侧前额叶皮质和背外侧前额叶等。本研究显示在24 h睡眠剥夺后，后扣带回和背外侧前额叶区域的神经活动协调一致性显著降低。后扣带回是DMN的核心节点，参与调节情绪、记忆和注意等功能活动，并发挥了关键作用。有研究[19]表明后扣带回的ReHo值降低与个体的觉醒和警觉水平下降呈正相关。而本研究显示针刺神门穴后被试者后扣带回脑区的ReHo值显著下降，这表明针刺神门穴可以降低觉醒，从而促进深度睡眠。背外侧前额叶是负责个体执行与控制能力的核心区域，与工作记忆、推理等高级认知功能密切相关。本研究结果显示，SD后双侧背外侧前额叶的ReHo值均明显降低，这表明SD会引起大脑情绪和认知功能的改变。而针刺神门穴后左侧背外侧前额叶的协调一致性有显著改变，这可能与其时间效应有关。角回为视觉性语言中枢(阅读中枢)，在个体阅读理解、注意和社会认知等方面发挥着重要的作用[20]。本结果表明24 h SD后双侧角回神经活动的协调一致性明显下降，这与被试者注意力降低、阅读理解能力降低有关。而本研究显示针刺神门穴后被试者左侧角回的ReHo值相较于针刺前显著下降，这可能与个体觉醒降低，使得注意和理解能力减弱有关。

颞叶同样与情绪、工作记忆和睡眠等功能密切相关，是多种感知觉信息早期加工的主要脑区。有文献[21]显示慢性部分性SD后会导致双侧颞中回的ReHo值显著增高。而本研究结果显示急性24 h SD后被试的左侧颞中回ReHo值显著降低，这可能与SD对颞叶急性损伤有关。随后笔者观察针刺神门穴可以明显增强左侧颞中回神经活动的协调一致性，表明针刺神门穴可以改善SD后个体的情绪、认知和睡眠功能。此外，本研究结果显示了相较于正常睡眠状态，24 h SD后左侧第二视皮质、左侧中央前回、左侧颞横回、右侧初级视皮质、右侧颞上回和右侧中央旁小叶神经活动的协调一致性显著增强；左侧缘上回、右侧缘上回和右侧中央前回神经活动的协调一致性明显降低。然而，针刺神门穴后未发现其对上述脑区的显著影响。与针刺前相比，针刺神门穴后左侧顶上回和左侧背侧视皮质神经活动的协调一致性明显增强；而左侧前扣带回、左侧脑岛、左侧颞上回、左侧眶部额下回、左侧颞下回和初级视皮质神经活动的协调一致性明显减弱。上述脑区改变的效应机制仍有待后续的探究。

综上所述，本研究通过分析rs-fMRI的ReHo值，探究了睡眠剥夺前后不同脑区神经活动的差异，并且首次探索了针刺神门穴对SD后脑功能区的效应机制。结果表明24 h SD后与情绪、认知等功能多个相关的脑区神经活动异常改变。而针刺神门穴后，左侧脑半球后扣带回、背外侧前额叶、角回和颞中回区域的神经活动协调一致性相较于针刺前显著增强或减弱，这与降低觉醒、改善情绪和认知功能等方面密切相关。未来需要增加试验的样本量，运用多模态磁共振成像方法，进一步明确针刺神门穴对脑神经活动的效应机制。