弥散张量成像技术在针刺研究中的应用进展

薛宇晗 安军明 赵 晶 纪昌春

(1 西安市中医医院,西安,710021; 2 陕西省中医医院,西安,710003)

近年来,脑功能成像技术取得飞速发展,被广泛应用于神经学科领域的临床研究。脑功能成像技术可实现从脑血流动力学、脑循环与代谢、神经生化递质含量、葡萄糖代谢、水分子运动等多层次、多维度对大脑功能状态进行研究[1-2]。其中弥散张量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI)是在常规磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)和弥散加权成像(Dffusion Weighted Imaging,DWI)基础上发展起来的一种新MRI技术,可在无创状态下,利用大脑内水分子在脑白质内弥散的各向异性,定量显示脑白质纤维束结构及白质束形态的变化,同时因具有高特异性、可定量易量化、动态可视、功能分辨率强的特性,被广泛应用在针刺研究[3]。因此,现通过对近年来DTI技术在针刺研究中的相关文献进行检索,从DTI技术的原理及特点、针刺穴位效应特异性、针刺在临床及实验研究中的应用等方面进行阐述,以期为针刺研究提供科学依据。

1 DTI技术的原理及特点

DTI是在常规功能磁共振基础上发展起来的一种新技术,利用数学的方法表示大脑内水分子弥散的各向异性,能够定量分析脑组织内水分子的弥散运动,量化脑白质神经纤维和功能束的特性,并能利用脑组织内水分子弥散的各向异性,实现定量显示脑白质纤维束的成像方法[4]。同时也是目前唯一能在无创状态下实现对脑白质活体结构及白质束形态检测的技术。弥散是物质最基本的运动方式之一,在无外界环境干扰的影响下,在完全均质的水中,每个水分子可以做随意的布朗运动,其向各方向运动的距离相等,称这种弥散方式为各向同性;而另一种弥散存在方向依赖性,且各个分子向各方向运动的距离不相等,则称为各向异性[5-6]。脑内水分子弥散在脑脊液与脑灰质中水分子的弥散运动基本为各向同性,而白质中为各向异性。因此,水分子的弥散模式可以直观反映生理及病理状态下脑白质结构的微观变化[7]。目前主要用平均弥散率(Mean Diffusion Ratio,MDR)、各向异性分数(Fraction Anisotropy,FA)、表观弥散系数(Apparent Diffusion Coeffecient,ADV)等参数描述脑白质纤维束完整性,其中,最常用的参数为FA值,能反映脑组织的各向异性程度,FA值在0～1之间,FA值越大,脑白质中神经纤维的完整性越高[8-9]。此外,在临床中,还利用基于感兴趣区域(Region of Interest,ROI)的分析方法,基于体素的分析方法、基于纤维束的分析方法、基于网络的分析方法等[10],进行脑白质解剖的研究,脑白质相关中枢神经系统疾病的诊治、同时利用DTI和功能MRI(Functional MRI,fRMI)技术结合优势,探讨疾病发病机制以及研究脑结构和功能的关系。

近年来,DTI技术在针刺临床研究中取得了较大进展。首先,在常规fRMI基础上拓展了针刺效应研究的范围,主要涉及针刺在临床研究中的客观疗效评价和针刺效应中枢机制两方面的研究。

2 DTI技术在针刺穴位效应特异性研究中的应用

穴位既是针刺作用的靶点,又是针刺效应的关键部位,不同穴位在不同疾病状态下发挥不同的作用效应,即腧穴效应的特异性。张华等[11]选取阳陵泉穴为针刺点,观察针刺阳陵泉穴后脑卒中患者脑白质结构的变化,结果显示与假穴组相比,针刺阳陵泉后脑卒中患者中央前后回、双侧顶下回等脑区的脑白质各向异性明显增强,表明针刺阳陵泉穴能促使脑卒中患者脑白质微结构发生变化,从而调节优势半球多个脑网络的可塑性,实现功能的恢复,进而从针刺过程中脑白质微结构的变化验证阳陵泉穴的特异性。HAN等[12]观察针刺阳陵泉穴前后脑卒中后运动障碍患者磁共振弥散成像的变化,结果显示针刺后患者右上纵束、皮质脊髓束和胼胝体的各向异性值显著增加,运动前皮质/邻近的辅助运动区与终止于边缘上回之间相应的功能连接增强,进一步也表明针刺可增加受损白质束的修复,阐释了针刺干预脑卒中的中枢神经机制。

3 DTI在针刺临床研究中的应用

3.1 脑血管疾病 李静等[13]采用DTI技术探讨针刺对脑卒中患者皮质脊髓束重塑的影响,结果显示针刺后卒中患者患侧皮质脊髓束全段平均各向异性分数(Fraction Anisotropy,FA)值明显增高,其中在皮质脊髓束局部节点(纤维束中段、顶段)的FA值增高更为显著。另有研究对比针刺组与非针刺组对偏瘫患者皮质脊髓束全段及各个节点FA值的影响,结果发现2组患者全段FA值均显著增高,但在内囊后肢及初级运动皮层区域每100个节点上的FA值差异更显著,表明针刺能增加运动通路节段的FA值,对偏瘫患者恢复有效[14]。DTI是脑白质神经纤维结构重塑变化的常用检测指标,能够更加直观地从脑结构角度探讨针刺过程中脑白质神经纤维束的变化。针刺后脑卒中患者内囊后肢及运动皮层区FA值升高,说明针刺能有效促进脑卒中患者运动相关脑区皮质脊髓束结构的重塑,从活体脑白质结构的微观变化证实了针刺改善脑卒中的中枢效应机制。此外,ZHAO等[15]采用头针加低频重复经颅磁刺激(Repeated Transcranial Magnetic Stimulation,rTMS)治疗脑卒中后偏瘫,治疗后DTI结果显示,患者脑白质神经纤维束(如小钳、左额枕下束、左下纵束、左上纵束和左钩束)的各向异性值增加,平均弥散值减少,从而说明针刺加低频rTMS能够促进脑白质纤维束的修复,改善偏瘫患者功能。

3.2 认知功能障碍 张晴晴[16]观察通督调神针刺对血管性认知障碍的疗效,与尼莫地平比较,治疗后DTI结果显示,通督调神针刺组患者左右两侧额叶、胼胝体膝部、胼胝体压部FA值显著增高,表观弥散系数(Apparent Diffusion Coeffecient,ADC)值降低。HUANG等[17]研究表明血管性认知障碍患者中下额叶枕束FA值降低,而治疗前ADC值均较高,治疗后降低,通督调神针刺组降低幅度更为显著。不同脑区针刺后FA值结果不一致,其可能与病程有关,早期ADC值高,说明脑白质纤维束细胞已经发生病变。此外,王丰[18]基于结构与功能fRMI探讨针刺改善轻度认知障碍的中枢机制研究,结果显示与康健人比较,针刺前认知障碍者右侧矩状及周围皮层、双侧额中回、右侧顶上回脑区FA值减小,左侧舌回区FA值增大;针刺后认知障碍患者右侧小脑脚、左侧楔前叶、左侧额中回、右侧顶上回、右侧矩状裂及周围皮层区FA值增大;右侧枕中回FA值减小,其中左侧额中回、右侧顶上回FA值针刺前降低,针刺后增大。认知功能障碍患者存在不同程度的脑白质变性,针刺后上述相关脑功能区FA值增大,表明针刺可重塑认知障碍患者相关脑区的微结构和功能网络连接,从而改善认知功能。进一步证实针刺对脑功能的重塑与整合,从脑功能微结构的变化揭示针刺改善认知障碍的中枢效应机制。

3.3 颈髓损伤 杨丛慧[19]在常规治疗基础上选取督脉、夹脊、曲池、外关、合谷穴,连接电针治疗颈髓损伤患者上肢功能障碍,并采用DTI技术观察治疗神经纤维束的变化,与健康人比较,基础观察组和基础加电针组治疗前FA值降低,损伤区明显低于损伤区远端,ADC值升高,损伤区域及损伤区远端无显著差异,而治疗3个月后,2组FA值、ADC值无显著变化,但DTI显示电针组颈髓损伤神经纤维有修复的趋势,可能与颈髓损伤纳入病例病程及电针干预的时机有关。

3.4 脑部其他相关疾病 除脑血管疾病、认知功能障碍、脊髓损伤外,DTI在针刺对脑部其他相关疾病如脑卒中后吞咽障碍、抑郁症、偏头痛、网络成瘾等治疗方面均有研究,取得一定的进展。

李红亚[20]利用DTI技术研究电针对网络成瘾(Internet Addiction Disorder,IAD)患者脑白质微结构的改变,结果显示IAD患者丘脑白质的FA值低于正常人,RD值高于正常人,右侧扣带回的RD值高于正常人,而电针对IAD患者脑白质微结构改变不明显,可能与治疗疗程、病程有关。吴文宝等[21]采用DTI技术观察“利咽通窍”针法对脑卒中后吞咽障碍的疗效,结果显示,利咽通窍针刺组患者右侧额岛叶纤维束明显增多、FA值增大,其机制可能是针刺刺激腧穴调节大脑皮质重塑,提高脑卒中区域FA值。王佩蓉等[22]采用DTI技术观察针刺联合文拉法辛治疗抑郁症的疗效,结果显示,针药组双侧额叶白质、颞下回白质、颞枕深部白质FA值均高于药物组,进一步说明针刺通过参与修复抑郁相关脑区脑白质神经纤维束微观结构发挥抗抑郁的作用。杨慧琳[23]研究针刺对抑郁症患者特定情感环路及其相关脑区功能结构的影响,与健康受试者比较,针刺组双侧额中回、海马旁回、胼胝体等FA值均低于正常组,左侧额中回、左侧额下回眶部、胼胝体等平均弥散率(Mean Diffusivity,MD)值均高于正常组,针刺组治疗前后脑白质神经纤维束无显著变化。陈旭辉等[24]研究电针对偏头痛患者DTI的特点及作用机制,选取少阳经特定穴作为针刺穴位,与健康受试者对照,结果发现,偏头痛患者的右侧海马FA值均低于正常人,且两侧海马的FA值存在差异性,说明右侧海马功能改变与偏头痛发病有关。

此外,除脑部相关疾病外,针刺结合DTI技术对乳腺癌患者化疗相关认知障碍[25]、功能性消化不良[26]、腰椎间盘突出症[27]、腕管综合征[28]、颈椎病[29]、青少年肥胖[30]等病症进行了研究,结果表明针刺均可调节不同脑区白质纤维束的各向异性,参与脑白质纤维微结构的修复与再生,从而发挥针刺治疗作用的中枢效应机制。

以上研究均表明,DTI技术在研究中所涉及的疾病,以脑血管疾病为主,特别是脑血管病变相关脑白质病变更为常见,其次是精神类、骨关节病和消化系统疾病。针刺对多种脑部疾病均有显著疗效,其机制是针刺能够调节病变相关脑区脑白质神经纤维的修复。总之,DTI技术的应用,能够从针刺过程中脑白质微结构的客观变化,定量直观地揭示在疾病病理状态下针刺疗效的中枢作用机制。

4 DTI在针刺实验研究中的应用

张冰雪等[31]以血管性痴呆大鼠为研究对象,观察电针“百会、神庭”对血管性痴呆大鼠脑白质纤维的影响,治疗后结果显示,与模型组比较,电针组海马、扣带回、胼胝体、外囊白质纤维FA增加,提示电针“百会、神庭”穴改善血管性痴呆大鼠记忆功能,可能与针刺参与修复胼胝体、海马等脑白质纤维有关。WU等[32]进一步探讨,针刺“百会、手三里”等穴对脑卒中大鼠模型的机制,治疗后DTI结果表明,脑卒中大鼠缺血灶中心和边缘的相对表观弥散系数(Relative Apparent Diffusion Coefficient,rADC)、相对分数各向异性(Relative Fractional Anisotropy,rFA)值首先降低,然后不同程度地增加,为针刺治疗脑卒中提供客观定量依据。林冰冰等[33]采用DTI观察电针“曲池、足三里”对缺血性脑卒中大鼠运动皮层-纹状体神经传导束的影响,结果显示与模型组比较,电针后卒中大鼠缺血侧运动皮层、纹状体rFA增加,相对纤维束数增多,提示针刺可能通过参与缺血侧运动皮层-纹状体神经传导束损伤的修复,来改善卒中大鼠的运动功能。此外,慢性脑低灌注引起的脑白质病变与血管性认知障碍有关,既往研究表明针刺可改善血管性痴呆患者的认知功能障碍。有研究发现,针刺改善了BCCAO大鼠的认知功能障碍,增加了脑血流量,保护了髓鞘完整性,针刺对脑白质的这些保护作用与改善脑血流量显著相关[34],说明针刺通过改善脑白质灌注和完整性来保护BCCAO大鼠的认知功能。还有研究者将DTI技术运用在周围神经损失修复的扩散可塑性研究,选取环跳、足三里穴,电针坐骨神经切断吻合大鼠,观察皮质脊髓束、脊髓丘脑束和内囊区,FA、轴向扩散率(Axial Diffusivity,AD)及径向扩散率(Radial Diffusivity,RD)的变化,结果显示,电针干预后各脑区DTI各项参数均显著的差异性变化,说明电针能够加速感觉和运动神经通路修复周围神经[35]。

由上可见,针刺实验研究选穴与临床应用具有一致性,涉及疾病也大致相同,忽略针刺实验研究造模及DTI技术应用时的局限性,针刺实验研究结果验证了针刺作用效应靶点还是在对脑白质纤维束微结构的修复。

5 小结与展望

综上所述,目前DTI技术是唯一能够观察脑白质纤维变化的动态可视化脑功能成像技术,能直观展示大脑结构在针刺过程中的客观变化。无论是在临床研究还是实验研究中,选取不同腧穴配伍针刺,均会引起不同脑功能区脑白质神经纤维的各向异性特异性变化,其作用机制是当针刺作用于效应靶点时参与脑白质神经纤维束微结构的重塑。进一步从脑功能微结构的直观变化验证针刺作用效应的中枢机制。

总之,将DTI技术应用在针刺的研究中,实现了在无创状态下,从脑白质内水分子的运动,多维度,多层次动态研究针刺对同一疾病状态下、不同脑区脑功能结构的影响,从脑功能微观结构的变化为针刺效应机制的研究提供了新思路。

此外,DTI技术在针刺研究中也存在问题亟须改进:1)针刺临床及实验研究中,主要以脑血管疾病为主,针刺操作参差不齐,甚者部分研究中二者治疗后DTI参数并无显著变化,结论还需进一步验证;2)在DTI技术针刺研究中,发现脑成像对脑内复杂的神经纤维束结构不敏感,更无法准确判断体素内的纤维走行分布;3)在针刺效应研究方面较为单一,对影响针刺效应的针刺手法、刺激参数、得气、治疗时间疗程等因素不足,且缺乏统一规范的标准;4)DTI操作及数据采集方面也受多方面的影响,如检查环境及患者的精神状态以及意识思维活动等,应更进一步优化研究设计,采用多种DTI参数分析方法。只有将DTI技术科学规范应用在针刺临床研究中,才能全面客观地阐述针刺作用的中枢效用机制。DTI技术能够反映针刺过程中脑白质机构的变化,未来可以用于头皮针功能定位;其次,将正电子发射体层成像(Positron Emission Tomography,PET)脑功能成像技术与DTI技术结合进行局部、静息态、非功能、整体性，多种成像方法多模态研究，同时结合神经递质含量、内分泌免疫分子等方面，进行多学科、交叉性研究；最后，利用DTI技术评估针刺效应与脑网络结构变化关系时，要重视患者本身脑功能网络与大脑结构网络之间的联系。基于DTI图像、数据的复杂性，可以采用人工智能提取DTI数据，以提高效率和准确率，助力DTI技术针刺效用的研究。

利益冲突声明:无。