针灸对肠易激综合征患者脑区激活的磁共振成像研究:一项基于激活似然估计的分析

赖宁源,兰 蕾,罗阿呷,刘艳琴

成都中医药大学,四川 成都 610075

肠易激综合征(Irritable bowel syndrome,IBS)属于临床常见的功能性肠病。根据流行病学显示[1],IBS在消化系统疾病中占7%～25%,我国IBS患病率约10%左右,预期还会逐步上升。现代人生活压力大、作息不规律和饮食不洁等问题较多,更容易引起功能性肠病,临床症状以腹部不适、腹胀,便后能减轻为主。该病不仅降低了个人生活质量,同时持续缠绵不愈的疾病特征也带来了长期负面的社会经济负担。临床上对此类型患者多采用药物疗法,但效果难以稳固,多反复发作[2-5],功能性胃肠道疾病是针灸的优势病种。针灸治疗具有操作简单、疗效佳且经济安全等优点[6-7],研究显示[8-9]针灸疗效高于促胃动力药物和胃粘膜保护药物(如吗丁啉)等,并具有疗效预后巩固佳、副作用小的特点,被大多数临床医生所肯定。

随着影像学技术的发展,功能磁共振(Function magnetic resonance imaging,fMRI)和正电子发射计算机断层扫描(Positron emission computed tomography,PET)等技术应用使得针灸中枢效应机制得以窥见。有研究[10-11]表明针灸对疾病的治疗作用,反应在对大脑的中枢作用的整合作用上,是由多个脑网络相互配合协调所致。然而,功能影像学研究间扫描参数、坐标选择和统计分析阈值等存在显著异质性,导致研究结果纷杂,无法提供针灸干预功能性肠病的核心、稳定脑区[12-14]。因此,本研究将通过功能影像学技术的Meta分析方法——激活似然估计(Activation likelihood estimation,ALE),筛选符合纳入标准的IBS患者基于fMRI和PET脑区激活分布特征,找到针灸干预功能性肠病的脑区,为精准评价针灸临床效应机制提供可靠依据。

1 资料与方法

1.1 文献检索与检索策略

两名评价员独立检索,在知网、万方、维普中文数据库及PubMed、Cochrane Library和Web of science英文数据库里进行检索,检索时间从建库开始—2023年4月。中文检索词为:肠易激综合征、磁共振脑功能成像、功能性磁共振、脑功能磁共振成像、功能磁共振、功能核磁共振成像、正电子发射计算机断层显像、针灸、针刺、腧穴、穴位及电针;英文检索词为:Irritable Bowel Syndrome,IBS、FMRI、Functional MRI、Functional Magnetic Resonance Imaging、PET-CT、PET CT Scans、Acupuncture、Acupoint、Acupuncture Point、Electroacupuncture及Electro-Acupuncture。为防止遗漏,对已有综述或元分析文献的参考文献补充人工二次检索。

1.2 文献筛选

1.2.1 纳入标准 ①所纳入文献里的试验对象IBS患者均符合2016年颁布的罗马Ⅳ的诊断标准[15];②研究类型为针灸干预功能性肠病的功能影像学研究;③试验对象未再进行其他课题的研究;④结局指标:以标准MNI或Talairach坐标形式报告激活峰值坐标,且差异脑区统计阈值必须满足校正后P<0.05或未校正时P<0.001;⑤组间比较:为IBS患者与健康对照组之间比较,IBS患者治疗前后的自身比较;⑥报告结果为全脑扫描结果;⑦原始的研究报告,试验设计严谨,数据可靠。同时符合以上7项的文献,方可纳入本项研究。

1.2.2 排除标准 ①未使用罗马Ⅳ诊断标准[15]进行IBS诊断的患者;②排除伴有精神、多系统严重创伤者等有威胁生命的疾病及伴基础疾病者(高血压、糖尿病和心脏病);③以会议报告、摘要海报和信等形式发表的研究;④重复报道;⑤研究样本量过少,原始数据不全且不能通过其他途径索取;⑥未报告坐标数据或报告不完整且联系作者未果的文献。凡符合以上任意1项的文献,均要予以排除。

1.3 数据提取与质量评价

两位评审员对纳入文献独立进行数据提取和交叉验证。如有分歧通过与团队成员商议解决。提取的数据资料包括:作者、发表年份、样本量、年龄、激活差异脑区个数及相应坐标。数据提取的坐标为IBS患者经过针刺或艾灸后,脑区的强弱变化和差异脑区的个数。并采用纽卡斯尔-渥太华量表[16](Newcastle-ottawa scale,NOS)对文献进行质量评价,满分为9分,若评分≥5分则认为文献质量符合纳入标准,反之则文献质量不佳,予以排除。

1.4 数据处理

本研究中使用Ginger ALE 3.0.2软件来对最终纳入研究文献进行ALE分析,该软件是一款基于MNI或者Talairach空间坐标的ALE分析软件。本研究拟在MNI标准空间下进行。因此,需要将文献以Talairach空间标准报告的坐标通过Ginger ALE 3.0.2软件内置的Tools功能转换成MNI坐标。将提取的相关数据按照ALE指导手册推荐的格式录入foci文本中。根据最大激活坐标峰值,激活似然估计图示的阈值定为P<0.05,置换检验次数选择取1 000,然后将所有提取的MNI坐标值导入Ginger ALE 3.0.2软件,得到最终结果,计算出脑区ALE分布图,再将分析结果导入Matlap和Dpabi软件,呈现出分析脑图像结果。若纳入数据足够,根据不同治疗干预方式(针刺或艾灸)进行联合分析以寻找共同激活脑区,最终计算出的脑区ALE分布图通过Matlap和Dpabi软件映射至标准解剖像模板,最终呈现针刺和艾灸干预功能性肠病的脑区。

2 结果

2.1 文献检索流程及结果

共检出相关文献49篇,其中重复发表文献和不符合纳入标准的文献30篇,数据不完整文献11篇,最终纳入8篇文献[17-24],文献特点见表1,筛选流程见图1。最终纳入肠易激综合征患者病例188例,健康对照者159例;IBS病人组年龄19～60岁。采用纽卡斯尔-渥太华量表(Newcastle-ottawa scale,NOS)对所纳入的文献进行文献质量评价显示该8篇文献质量均较高(6～9分)。

表1 纳入文献的资料特征

2.2 ALE分析结果

2.2.1 IBS患者异常的中枢功能活动 5项研究合计报道86个组间(IBS患者组较健康组)激活脑区的MNI坐标[18,20-22,24]。采用ALE分析法进行激活脑区计算并将运算后的三维坐标投影至标准解剖像模板。ALE分析结果显示,IBS患者相较于健康组,其主要激活增强的脑区有:右侧额下回、右侧额中回、右侧豆状核、右侧丘脑与右侧脑岛。

2.2.2 针刺治疗后IBS患者的中枢功能响应变化 8项研究报道88个组间激活减弱脑区的MNI坐标[17-24]。采用ALE法进行分析并将运算后的三维坐标投影至标准解剖像模板。ALE分析结果显示:经针刺或艾灸治疗后,IBS患者相对于治疗前自身比较,其激活减弱脑区主要为:左侧额中回、左侧豆状核、左侧中央前回、左侧海马旁和左侧扣带回。见表2、图2。

注:P<0.05,体素>600 mm3。图2 IBS患者针灸治疗后脑区与针灸治疗前脑区的自身比较激活减弱脑区

表2 IBS患者针灸治疗前后自身对比脑区激活情况

2.2.3 基于不同文献的试验方法的联合分析 为进一步探讨不同试验方式(针刺、艾灸)是否具有共同激活脑区。本研究进一步采用Ginger ALE 3.0.2对比分析模块(Contrast datasets)进行联合分析,结果显示:IBS患者经针刺或艾灸治疗后均存在相同的减弱区域:左侧豆状核。见表2、图3。

注:P<0.01,体素>600 mm3,Lentiform Nucleus为豆状核。图3 IBS患者经针刺或艾灸激活减弱重叠脑区

3 讨论

3.1 ALE分析简介

激活似然估计(ALE)是一种统计学方法,常用于大脑成像数据分析中的数据建模和脑活动定位。它的主要功能是通过整合多个独立研究的结果,用于评估特定脑区域的激活概率,并生成相应的激活概率图或激活聚集图。在神经科学研究和临床实践中,ALE软件被广泛应用于理解脑功能和神经疾病的相关机制,其通过将各个独立研究的结果整合起来,提供一个较为全面的视角,准确地确定与其相关的脑区,它最大化地量化研究位置信息的一致性;减少分析方法的主观性,且具备显著性检验,其结论可在统计上得到支持[25],从而为进一步的深入研究和临床诊断提供重要的指导。

3.2 ALE分析结果总结

本研究基于ALE分析方法,严格按照纳入与排除标准进行文献筛选,最终8项研究的三维坐标数据纳入分析。ALE分析结果显示:IBS患者异常的脑区活动有:右侧额下回、右侧额中回、右侧丘脑、右侧脑岛与右侧豆状核。IBS患者经针灸治疗前后自身比较,其激活减弱脑区主要为:左侧额中回、左侧豆状核、左侧中央前回、左侧海马旁与左侧扣带回。基于不同试验方法(针刺或艾灸)的联合分析发现左侧豆状核脑区是IBS患者经过针刺和艾灸治疗的易激活脑区。

通过ALE分析发现针灸可以改善IBS患者的核心病理脑区:额叶和边缘系统,明确了针灸起效的脑区倾向——优势侧。

3.3 IBS患者部分脑区存在神经代谢的改变,情绪调节在功能性胃肠病中起着重要作用

既往的研究[26]表明功能性胃肠病患者相对于健康人脑区,其额叶皮质、脑岛、丘脑和海马等脑区有着激活的改变,与本项ALE得出的研究结果基本一致。大脑额叶在高级认知功能中发挥着重要作用,包括决策制定、问题解决、计划、思维灵活性和执行控制,也参与了社会行为、情感认知的表达[27]。丘脑是间脑中最大的灰质核团,被认为是多种皮质下结构与大脑皮层联系的中转站,丘脑影响着机体生长、代谢与性激素等多个生理过程。脑岛与情感体验和情绪调节密切相关,脑岛在机体内脏感觉、自主内脏运动、疼痛和情绪处理方面起了至关重要的作用[28]。根据解剖学研究,笔者团队认为由额叶-丘脑-脑岛组成的大脑回路调节着机体情绪方面的发生发展,此大脑回路的激活会负反馈调节人体情绪波动,产生焦虑心情,胃肠道中的肠道微生物群与情绪和行为密切相关,焦虑反过来又可能加剧症状,故推测IBS患者的大脑皮层可能发生代谢改变,形成一个协调性神经代谢网络,发挥代偿作用。

大量研究[29-32]表明功能性胃肠病与情绪有着密切的联系,情绪状态可以影响食欲和饮食选择。如中医认为,情绪不好会导致肝郁,肝气乘脾犯胃,出现胃肠胀痛、嗳气和反酸等从而影响胃肠功能。研究表明,情绪的变化直接影响人体内的生理活动。过度忧愁、持续强烈的精神创伤,会给人的身体健康带来不良的后果。胃肠道与大脑之间还存在着复杂的神经连接,称为脑-肠轴[33],脑-肠轴在胃肠功能调节中起着重要的作用。研究显示脑-肠轴不仅保障胃肠道内环境的稳态和正常消化功能的维持,而且可能对情感和更高的认知功能(包括执行功能等)有多重影响[34]。由此推测由上述的额叶-丘脑-脑岛回路,可能就通过调节压力和焦虑等情绪状态来影响脑-肠轴,从而波及胃肠道的运动和分泌。另有Meta分析显示[35],益生菌改善肠道功能的同时对于缓解焦虑也起到良好效果。而额叶-丘脑-脑岛回路是一个与情绪有关的皮层下中枢,可以通过植物神经系统影响胃肠道功能。《伤寒论》提到:“哀伤忧思恐怖,劳倦饥饱,……皆伤脾胃。”《素问·调经论》中指出:“志有余则腹胀飧泄”《医学真言》中记载:“五脏为阴,六腑为阳,胃为海溪,神志全凭”,也证实了胃肠疾病的发生与情绪、心理因素有关,这与现代研究中关于内脏敏感性异常的理论[10]不谋而合。当人长期情绪紧张时,会使迷走神经兴奋性增高,通过皮层下中枢和神经体液调节机制使胃酸分泌增多,胃蛋白酶原水平增高,导致胃功能紊乱;而当人的情绪忧郁时,胃黏膜苍白,分泌减少,胃的蠕动减弱,同样也会导致胃功能紊乱。而本研究发现IBS患者的额叶-丘脑-脑岛回路的异常激活,使胃肠蠕动加快,并可能影响机体情绪方面的波动,从而对胃肠道起着负向调节。

3.4 针灸治疗可以调节IBS患者优势脑区功能活动

IBS的发生与胃酸分泌、胃动力功能障碍、心理因素、幽门螺杆菌感染与血液流变等相关,但迄今对IBS发生机制尚未完全明确。所以如何能更好地解释IBS发生的病理基础,为科学合理地评价针灸治疗肠易激综合征患者的临床疗效具有重要意义。通过针灸治疗,使IBS患者大脑的左侧额中回、中央前回、海马和扣带回的活动改变,可能与潜在的代偿性神经机制——通过治疗激活优势侧的脑区皮质来恢复调整胃肠道功能有关。

3.4.1 针灸治疗改善IBS患者胃肠代谢功能体现在优势侧的额叶和边缘系统 针灸通过调节患者优势侧-左侧额中回、中央前回、海马区、扣带回和豆状核等脑区的激活强度来改善胃肠功能。额叶是大脑的一个重要部位,位于大脑的最前部,在人类的认知和情绪调控方面发挥着重要作用。并且有研究表明IBS患者前额叶皮质存在供血或者功能的改变[36]。而额中回脑区的功能包括注意力调节、情绪控制、决策制定和执行等。通过对学习、情绪和行为的调控来维护大脑与机体之间的联系。笔者认为额中回可能与IBS病理变化有着密切的关系,额中回的异常激活可能主要与患者自我内在意识的增高对胃肠道症状选择性的关注有关,因为功能性胃肠病在患者自身自主形态上有着较高的发病率[37],针灸可能通过调节额中回的活动度,来改善情绪方面的影响,从而恢复脑功能与内脏之间的联系,以更好地调节胃肠道功能。而中央前回也属于大脑额叶的一部分,并且与边缘系统和奖赏系统之间有丰富的联系,参与了情绪的生成、调节和认知控制,并且额叶也对情感方面的影响至关重要,Bhatt等[38]研究发现IBS患者存在中央前回与豆状核之间的功能连接增强,与本研究结果相吻合。边缘系统是指高等脊椎动物中枢神经系统中由古皮层、旧皮层演化成的大脑组织以及和这些组织有密切联系的神经结构和核团的总称。边缘系统素有“内脏脑”之称,可以将胃肠神经元传入神经信号经海马传至下丘脑等高位中枢[39],对内脏活动有极为重要的调节作用。其中边缘系统对胃肠道的重要调节作用已被大量的研究所证实,而边缘系统中大脑脑区的协同效应被认为是胃肠道生理基础[40]。海马是构成大脑边缘系统的重要部分,与丘脑核、下丘脑乳头丘脑束和扣带回等组成一个重要的神经调节,主要参与行为、学习、记忆和情绪反应的调节[41]。在焦虑障碍患者的上述结构内多发现其代谢异常,有其合理性,再者人脑左侧额叶主要与积极情绪有关,而右侧多与负性和消极情绪有关[42],与本研究发现IBS患者右侧的脑区激活改变而针灸可以改善患者左侧优势侧海马区活动强度结果相吻合。本研究发现的另一激活改变的扣带回脑区也是大脑边缘系统中的一个重要区域,它在调节情绪、认知和行为方面发挥关键作用。扣带回与消化系统密切相关,能够调节胃肠蠕动和分泌以及控制排便和排尿等功能。此外,扣带回脑区还与情绪和注意力相关,能够影响情绪的调节和注意力的集中。它与大脑皮层和扣带前额叶皮质结构相互连接,组成了情绪调控的神经回路。通过调节多巴胺、血清素等神经递质的释放,参与了情绪的生成与调整,并有实验表明[43]扣带回是一个交接胃肠信号的重要脑区。肠易激综合征作为典型的身心疾病,出现与情绪调控密切相关的额叶-丘脑-脑岛的脑区变化,同时目前对IBS患者改善胃肠动力和抗抑郁治疗已成为普遍治疗方式,也从侧面证明了本试验通过ALE分析得出调节患者优势侧额叶和边缘系统脑区可以改善患者情绪和胃肠消化功能。因此,针刺治疗IBS起效的途径之一是通过调节额叶和边缘系统的情绪和执行能力,可能是从脑-肠轴传入角度来改善患者胃肠道消化功能。

3.4.2 针刺和艾灸共同易激活的脑区——豆状核 本研究通过ALE分析发现,基于不同文献的试验方法(针刺或艾灸)的联合分析得出左侧豆状核是针刺和艾灸治疗方式共同易激活的脑区。研究显示豆状核从属的纹状体是一个庞大而复杂的网络枢纽,它综合了动机、情感、学习、压力和感觉等运动信息[44]。胃肠道的运动是由平滑肌运动控制的,而豆状核在这一过程中扮演着至关重要的角色。它的神经元接受来自大脑网络的募集调节信息,传递到下行胃肠通路中的神经元,引导平滑肌收缩及松弛,从而使消化系统得以顺利运作,更有研究[45]表明纹状体能让神经元释放更多的多巴胺,多巴胺结合并激活多巴胺1受体(D1RS),而D1RS受体主要分布于内脏的血管平滑肌上,从而来调节胃肠蠕动。豆状核是控制口咽部的一个重要中枢,与唾液分泌、舌面运动等有关,中医认为咽喉乃胃之门户,咽喉是胃气上升和下降的通道,与胃的消化功能密切相关,平时也可通过适当的饮食调理、呼吸练习与声音保健等方法维护咽喉与胃之间的正常交流,有助于促进消化功能的健康运行。本研究发现:相对于IBS患者针灸治疗前,IBS患者经治疗后左侧豆状核脑区激活减少。此发现为寻求IBS患者常见的胃肠消化功能起源提供证据,因为该结构被认为是与多种形式的执行力相关的神经网络[46]。但在目前尚未知FMRI检测出的豆状核是否能有效代表胃肠消化障碍的原因机制,亦或是其他形式脑损伤的结果,但本研究认为:胃肠功能障碍可能与豆状核激活增强相关,这可能与调节胃肠蠕动的神经网络通路能力下降相关,有助于进一步从神经病理学的角度理解IBS脑损伤。此外,这一结果与现有的功能性胃肠病患者脑功能成像研究的结果基本一致[10,47-48],证实由豆状核等脑区活动异常引起的脑功能改变对IBS患者胃肠道的功能有影响,说明豆状核是IBS患者常易激活变化的脑区域。

3.5 结语

虽然本研究ALE分析能反映IBS患者大脑激活脑区的活动改变,但仍存在局限性。①本研究采用了较为严格的纳排标准,只纳入了通过针刺或艾灸治疗的文章,导致最终纳入分析的文献较少;②纳入研究的样本量尚有欠缺,这些文献中只有4个文献报道了激活减弱脑区,通过对比分析得出的激活脑区概率不高,因此尚未得出针刺和艾灸治疗功能性胃肠病患者的激活增强区域,可能需要更大规模的研究样本;③ALE分析不仅忽略了研究间的差异,也没有考虑到各脑区激活强弱的区别,这可能导致激活强度不高的脑区被遗漏。然而,脑成像的ALE分析方法具有对不同研究中位置信息加工整合的优点,未来可继续加深应用ALE分析方法来探讨某种疾病的患者脑功能通过针灸治疗后激活易改变的脑区。

综上所述,本研究通过ALE分析表明针灸具有对脑区整体的调节作用,这与当前脑科学提倡的脑网络连接研究理念是一致的[39]。笔者团队的研究结果筛选出了针灸治疗IBS患者的核心脑区(额叶和边缘系统),明确了针灸起效的脑区倾向(优势侧),同时筛选出针刺和艾灸共同易激活的脑区——豆状核,这为解释针灸治疗功能性胃肠病中枢效应机制提供了切实的证据支持,也为后续探讨针灸脑网络研究提供了可靠的感兴趣脑区靶点。