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        基于皮質分析睡眠剝奪后針刺神門穴對大腦局部一致性的影響

        2022-06-28 11:56:06馮思同賈竑曉鄭思思馮正田劉鑫子蔡永麗寧艷哲
        首都醫(yī)科大學學報 2022年3期
        關鍵詞:神門被試者腦區(qū)

        馮思同 賈竑曉 鄭思思 姚 昊 馮正田 劉鑫子 蔡永麗 寧艷哲*

        (1.首都醫(yī)科大學附屬北京安定醫(yī)院 國家精神心理疾病臨床醫(yī)學研究中心 精神疾病診斷與治療北京市重點實驗室,北京 100088;2.人腦保護高精尖創(chuàng)新中心 首都醫(yī)科大學,北京 100069;3.北京中醫(yī)藥大學東方醫(yī)院針灸科,北京 100078)

        睡眠剝奪(sleep deprivation, SD)是指由于自身或外界因素導致個體睡眠缺失,睡眠時間少于4 h,從而引起心理及生理功能改變的狀態(tài)[1]。研究[2]顯示24 h SD會導致個體的情緒、學習記憶、認知功能和免疫力等一系列的異常改變,嚴重影響心理和身體健康。更為重要的是,睡眠剝奪24 h后會造成認知功能和工作效率降低30%左右[3]。靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state function magnetic resonance imaging, rs-fMRI)相關研究[4-5]表明SD后個體的腦神經功能會發(fā)生改變,其中局部一致性(regional homogeneity, ReHo)在不同的腦區(qū)有異常改變。2004年有研究者[6]提出了采用ReHo來分析不同腦區(qū)功能活動的特點,并且可以評價基于體素組成不同團塊的相似性。以往的影像學研究[7]顯示24 h SD多個腦區(qū)的ReHo值發(fā)生了異常改變,涉及到中央前回、顳葉和額葉等,這與個體情緒、學習記憶等功能改變密切相關。近年來,研究者一直在尋求可改善SD不良影響的治療措施,包括藥物和非藥物手段。針灸是中醫(yī)學的重要組成部分,在改善睡眠和認知方面取得較好的臨床療效,但相關的效應機制尚未明確。研究[8]顯示針刺三陰交穴可明顯改善24 h SD組的情緒相關腦區(qū),并對腦網絡活動有顯著影響。然而,目前針刺神門穴對SD的腦功能活動影響的文獻報道較少。因此,本研究運用rs-fMRI技術觀察睡眠剝奪前后和針刺SD組受試者神門穴前后腦區(qū)ReHo的改變,旨在探究針刺神門穴對SD腦區(qū)ReHo變化的影響。

        1 對象與方法

        1.1 研究對象

        健康受試者為北京中醫(yī)藥大學和首都醫(yī)科大學在校學生,30名(男性16人,女性14人),平均年齡(25.20±2.20)歲;受教育年限:(18.10±2.45)年;匹茲堡睡眠質量指數(Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI)評分(2.13±1.78)分。本研究已經獲得首都醫(yī)科大學附屬北京安定醫(yī)院倫理委員會批準[批件號:(2020)科研第(42)號-202065FS-2],所有被試在實驗開始前均自愿簽署知情同意書,并且在試驗階段可隨時退出。

        1.2 納入與排除標準

        1.2.1 納入標準

        全部符合以下6項者: ①年齡18~35周歲,右利手;②睡眠正常,睡眠習慣良好,PSQI測試分數<5分;③近一年無明顯的壓力刺激、創(chuàng)傷以及其他應激狀態(tài)出現;④無心、腦、肝、腎和血液等系統(tǒng)疾??;⑤無焦慮、抑郁、躁狂等相關精神疾病病史;⑥無磁共振掃描禁忌證。

        1.2.2 排除標準

        ①有藥物、乙醇、煙等依賴史者;②倒班工作者;③月經周期階段、孕期、哺乳期或生育后不超過1年者。

        1.3 試驗流程

        試驗從早晨8:00開始到次日早晨8:00結束,于首都醫(yī)科大學附屬北京安定醫(yī)院特定實驗室內開展,主試人員全程陪同被試者以防止在睡眠剝奪過程進入睡眠狀態(tài)。在試驗前,告知被試者試驗流程和注意事項,使被試者充分了解并配合主試人員。被試者需在睡眠剝奪前后和針刺后分別進行磁共振掃描,在磁共振掃描前,被試者需保持安靜狀態(tài)30 min以上,囑其放松。睡眠剝奪前,先用靜息態(tài)磁共振掃描8 min 10 s,隨后進行T1結構像掃描。在睡眠剝奪過程中,被試者可以進行上網、打牌、玩游戲等自主活動,但不允許被試者服用興奮或者抑制神經系統(tǒng)的食物或者藥物。睡眠剝奪后24 h,被試者先靜息態(tài)磁共振掃描8 min 10 s,隨后進行針刺態(tài)磁共振掃描[9],雙側神門穴進針,進針后進行平補平瀉法捻針1 min,再留針8 min后取針。在結束針刺態(tài)掃描后T1結構像掃描4 min 10 s。

        1.4 掃描設備與參數

        本研究采用首都醫(yī)科大學附屬北京安定醫(yī)院的磁共振設備,為德國西門子公司3.0T Prisma超導磁共振掃描儀。掃描參數:①功能像參數:視場(field of view, FOV)=225×225,數據矩陣(data matrix)=64×64,層厚= 3.5 mm,重復時間(repetition time, TR)=2 000 ms,回波時間(echo time, TE)=30 ms,翻轉角(flip angle)=90°。②結構像參數為 FOV=250×250,矩陣=256×256,層厚=1 mm,TR=1 900 ms,TE=2.52 ms,翻轉角=90°。掃描時使用海綿墊固定被試者頭部,以防止頭部運動,并且囑其閉眼,不要睡覺,保持清醒,同時在每個掃描序列開始前提醒并查看被試者是否睡覺,掃描結束后詢問被試者是否在掃描過程中入睡,明確所有被試者在實驗過程中保持清醒。

        1.5 針刺處理

        ①針刺穴位:神門穴,位于腕掌側橫紋尺側端,尺側腕屈肌腱的橈側凹陷處,針刺深度0.3~0.5寸(1 寸≈ 3.33 cm)。針具為北京中研太和醫(yī)藥有限公司的一次性銀質針灸針(0.30 mm×25 mm)。②質量控制:研究全程由兩位針灸醫(yī)師進行針刺操作,兩人同時進針。進針得氣后,采用平補平瀉的手法,捻轉1 min,靜置留針8 min。

        1.6 圖像處理

        首先使用MRI cro對功能磁共振的原始數據篩選,剔除圖像偽影過大或不完整的數據,數據處理基于MATLAB2019a平臺。應用中國科學院心理所開發(fā)的DPABISurf軟件(http://rfmri.org/DPABISurf)對原始數據進行預處理[10]。首先,將數據格式轉化為NIFTI格式,對T1加權圖像進行校正、顱骨剝離、腦組織分割(針對提取的腦脊液、白質和灰質),分割左右半球以及皮層下結構,隨后重建腦皮質,以T1加權圖像為模板進行空間標準化[應用蒙特利爾神經(Montreal Neurological Institute, MNI)空間]。隨后,去除前5個時間點,以每個TR的中間時間體積定義為參考體積,并生成其顱骨剝離版本,進行時間校正、頭動校正(頭部移動超過2 mm或者旋轉度超過2°的圖像將被剔除)、空間標準化(空間歸一化為MNI空間,并重新采樣為2 mm的各向同性體素大小)。使用DPABISurf對皮質和體積功能數據進行協(xié)變量回歸, 在軟件運行過程中,為了計算某一個頂點的ReHo值,需要計算其最近鄰頂點,并計算所有頂點血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)時間序列的Kendall一致性系數(Kendall’s consistency coefficient, KCC),對整個大腦表面的每個頂點重復這個過程,形成全腦范圍的ReHo圖像,最后采用高斯函數對所有受試者進行空間平滑。

        1.7 統(tǒng)計學方法

        使用DPABISurf中的統(tǒng)計分析對ReHo圖像進行配對t檢驗,得到睡眠剝奪前后和針刺神門穴前后ReHo變化的腦區(qū)。以P<0.01為差異有統(tǒng)計學意義,隨后采用Bonferroni校正,以P<0.005為差異有統(tǒng)計學意義。最終結果展示包括有統(tǒng)計學意義的異常腦區(qū)的具體解剖位置、團塊大小,最高點坐標及相應的峰值T值。

        2 結果

        2.1 24 h SD后ReHo值異常的腦區(qū)

        與睡眠狀態(tài)下相比,SD后可引起較多腦區(qū)ReHo值的改變(表1,圖1)。其中ReHo值顯著升高的腦區(qū)包括左側第二視皮質、左側中央前回、左側顳橫回、右側初級視皮質、右側顳上回和右側中央旁小葉;而顯著降低的腦區(qū)包括雙側后扣帶回、雙側角回、雙側背外側前額葉、左側緣上回、左側顳中回、右側緣上回和右側中央前回。

        表1 24 h SD后ReHo改變的腦區(qū)Tab.1 ReHo in brain regions before and after 24 h SD

        圖1 24 h SD前后主要腦區(qū)的ReHo變化Fig.1 ReHo in main brain regions before and after 24 h SD

        2.2 針刺神門穴前后ReHo值異常的腦區(qū)

        基于ReHo值分析發(fā)現,針刺神門穴可引起左半球多個腦區(qū)的ReHo值改變。與SD后相比,針刺后ReHo值顯著升高的腦區(qū)包括頂上回、背側視皮質和顳中回;而針刺后ReHo值明顯降低的腦區(qū)包括后扣帶回、前扣帶回、腦島、背外側前額葉、顳上回、眶部額下回、角回、顳下回和初級視皮質。而與SD前相比,針刺神門穴后各個腦區(qū)的ReHo值無顯著性改變(表2,圖2)。

        表2 針刺神門穴后ReHo改變的腦區(qū)Tab.2 ReHo in brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

        圖2 針刺神門穴前后主要腦區(qū)的ReHo變化Fig.2 ReHo in main brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

        3 討論

        神門穴是臨床針刺的常用穴位,為手少陰心經的原穴,可調臟腑、通經絡[11]。在《針灸大成》[12]中提到了神門穴的治療范圍:“神門,掌后銳骨端陷中……主心性癡呆,健忘,心積伏梁,大小人五癇”。此外,明代典籍《醫(yī)學入門》[13]也提出:“神門主驚悸,怔忡,呆癡等疾,及卒中鬼邪,恍惚振禁,小兒驚癇”。針刺補瀉神門穴能夠寧心安神,廣泛應用于治療精神類疾病。以往的研究[14]顯示,針刺治療失眠癥時選用神門穴治療的頻率最高,其治療失眠療效顯著,是失眠癥針灸治療選用的“一級主穴”?,F代醫(yī)學研究[15-16]表明,針刺神門穴可以激活中樞神經系統(tǒng),降低覺醒,促進深度睡眠,改善腦神經活動,緩解情緒。因此,本研究采用自身前后對照的試驗設計,首先基于ReHo分析來觀察24 h SD前后腦功能活動的改變,隨后探究針刺神門穴對SD后腦功能紊亂的干預效應。

        SD后個體的注意、工作記憶等認知功能和情緒均有不同程度的損傷,影像學研究[17]顯示額頂網絡與突顯網絡激活的程度有所降低,并且默認模式網絡(default mode network, DMN)負激活減弱。盡管許多影像學研究觀察到了SD后腦區(qū)的異常改變,但是目前尚無統(tǒng)一定論。ReHo值可以衡量在一個功能團塊中的所有體素變化的一致性和相似性,同時可間接反映出局部腦區(qū)功能活動的時間同步狀態(tài),進一步推測相對應腦區(qū)的功能活動。本研究顯示與SD前相比,SD后多個腦區(qū)神經活動的協(xié)調一致性功能異常,包括額葉、角回、中央前回等;而與針刺神門穴前相比,針刺后左半球多個腦區(qū)的局部協(xié)調一致性也出現了明顯改變。

        以往的研究[18]顯示SD后個體的反應遲鈍與大腦DMN的激活密切相關。靜息態(tài)下DMN包含的腦區(qū)主要有后扣帶回、角回、內側前額葉皮質和背外側前額葉等。本研究顯示在24 h睡眠剝奪后,后扣帶回和背外側前額葉區(qū)域的神經活動協(xié)調一致性顯著降低。后扣帶回是DMN的核心節(jié)點,參與調節(jié)情緒、記憶和注意等功能活動,并發(fā)揮了關鍵作用。有研究[19]表明后扣帶回的ReHo值降低與個體的覺醒和警覺水平下降呈正相關。而本研究顯示針刺神門穴后被試者后扣帶回腦區(qū)的ReHo值顯著下降,這表明針刺神門穴可以降低覺醒,從而促進深度睡眠。背外側前額葉是負責個體執(zhí)行與控制能力的核心區(qū)域,與工作記憶、推理等高級認知功能密切相關。本研究結果顯示,SD后雙側背外側前額葉的ReHo值均明顯降低,這表明SD會引起大腦情緒和認知功能的改變。而針刺神門穴后左側背外側前額葉的協(xié)調一致性有顯著改變,這可能與其時間效應有關。角回為視覺性語言中樞(閱讀中樞),在個體閱讀理解、注意和社會認知等方面發(fā)揮著重要的作用[20]。本結果表明24 h SD后雙側角回神經活動的協(xié)調一致性明顯下降,這與被試者注意力降低、閱讀理解能力降低有關。而本研究顯示針刺神門穴后被試者左側角回的ReHo值相較于針刺前顯著下降,這可能與個體覺醒降低,使得注意和理解能力減弱有關。

        顳葉同樣與情緒、工作記憶和睡眠等功能密切相關,是多種感知覺信息早期加工的主要腦區(qū)。有文獻[21]顯示慢性部分性SD后會導致雙側顳中回的ReHo值顯著增高。而本研究結果顯示急性24 h SD后被試的左側顳中回ReHo值顯著降低,這可能與SD對顳葉急性損傷有關。隨后筆者觀察針刺神門穴可以明顯增強左側顳中回神經活動的協(xié)調一致性,表明針刺神門穴可以改善SD后個體的情緒、認知和睡眠功能。此外,本研究結果顯示了相較于正常睡眠狀態(tài),24 h SD后左側第二視皮質、左側中央前回、左側顳橫回、右側初級視皮質、右側顳上回和右側中央旁小葉神經活動的協(xié)調一致性顯著增強;左側緣上回、右側緣上回和右側中央前回神經活動的協(xié)調一致性明顯降低。然而,針刺神門穴后未發(fā)現其對上述腦區(qū)的顯著影響。與針刺前相比,針刺神門穴后左側頂上回和左側背側視皮質神經活動的協(xié)調一致性明顯增強;而左側前扣帶回、左側腦島、左側顳上回、左側眶部額下回、左側顳下回和初級視皮質神經活動的協(xié)調一致性明顯減弱。上述腦區(qū)改變的效應機制仍有待后續(xù)的探究。

        綜上所述,本研究通過分析rs-fMRI的ReHo值,探究了睡眠剝奪前后不同腦區(qū)神經活動的差異,并且首次探索了針刺神門穴對SD后腦功能區(qū)的效應機制。結果表明24 h SD后與情緒、認知等功能多個相關的腦區(qū)神經活動異常改變。而針刺神門穴后,左側腦半球后扣帶回、背外側前額葉、角回和顳中回區(qū)域的神經活動協(xié)調一致性相較于針刺前顯著增強或減弱,這與降低覺醒、改善情緒和認知功能等方面密切相關。未來需要增加試驗的樣本量,運用多模態(tài)磁共振成像方法,進一步明確針刺神門穴對腦神經活動的效應機制。

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