李 玲 馬 婕 宋思敏 李 姝 宋慧君 李巖琪 郭 義,2 劉陽陽,3

(1 天津中醫(yī)藥大學實驗針灸學研究中心,天津,301617; 2 天津中醫(yī)藥大學中醫(yī)學院,天津,301617; 3 天津中醫(yī)藥大學針灸推拿學院,天津,301617)

針刺治療具有適應證廣、療效顯著、應用簡便、經(jīng)濟安全等特點。然而,針刺療法的作用機制尚不完全清楚,這一定程度上限制了針刺的應用與發(fā)展。針刺時受試者會感受到酸、麻、重、脹等得氣感,這些感覺必須上傳至大腦才可以被感知,同時針刺對機體的調(diào)節(jié)作用也需要通過大腦的整合調(diào)控才得以發(fā)揮[1-2],因此研究針刺對腦功能的影響有助于揭示針刺的作用機制和規(guī)律。神經(jīng)影像學是借助影像學方法研究大腦的結(jié)構(gòu)和功能,從而探究大腦認知、信息處理以及病理變化等機制,神經(jīng)影像學技術(shù)包括計算機斷層成像(Computed Tomography,CT)、功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)、正電子發(fā)射斷層成像(Position Emission Tomography,PET)、功能性近紅外光譜術(shù)(Functional Near-infrared Spectroscopy,fNIRS)、腦磁圖(Magnetoencephalogram,MEG)等,目前針刺研究都應用這些技術(shù),其中fNIRS逐漸成為針刺研究領(lǐng)域的新熱點。fNIRS是根據(jù)不同的血氧含量產(chǎn)生近紅外光信號差異而成像的動態(tài)可視化技術(shù),該技術(shù)可在人體上無創(chuàng)、可視化地研究腦功能活動[3]。本文檢索近年有關(guān)應用fNIRS于針刺研究中的文獻,并進行了整理和總結(jié)。

1 功能性近紅外光譜術(shù)原理

大腦功能活動中神經(jīng)元的電活動需要耗氧耗能,當皮層局部功能活動增強時,皮層局部血流量和血氧供應量也隨之增加。有研究發(fā)現(xiàn),皮層局部區(qū)域中的血氧供應量往往超過神經(jīng)元的實際耗氧量,從而導致該皮層區(qū)域中氧合血紅蛋白(Oxygenated Hemoglobin,Oxy-Hb)含量相對升高,而去氧血紅蛋白(Deoxygenated Hemoglobin,Deoxy-Hb)含量相對降低[4]。皮層局部的血流量增加是神經(jīng)元對刺激反應的結(jié)果,血流量的增加使血液中的Oxy-Hb含量上升,Deoxy-Hb含量下降,因此可以通過測量Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量變化評估被測腦區(qū)神經(jīng)元的激活程度。血液血紅蛋白對600～900 nm的近紅外光具有良好的吸收和散射特征。在fNIRS中,光源發(fā)生器可以調(diào)制2種不同波長的近紅外光,一種波長是Oxy-Hb的等吸收點,另一種波長是Deoxy-Hb的等吸收點,這2種近紅外光可分別探測Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量變化[5]。依據(jù)近紅外光譜物質(zhì)成分檢測的比爾-朗伯定律,Oxy-Hb和Deoxy-Hb的近紅外光信號強度與其血紅蛋白含量正相關(guān)[6],即光信號越強,對應的Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量越高,因此可利用近紅外光信號強度的變化反映大腦皮質(zhì)Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量變化,從而評估皮層神經(jīng)元的功能狀態(tài)。在fNIRS的具體應用中,通常先以無刺激狀態(tài)或有控制的刺激狀態(tài)的近紅外光信號強度作為基線,將刺激時呈現(xiàn)的近紅外光信號強度與基線相比較,再運用數(shù)學方法將二者差值轉(zhuǎn)換為Oxy-Hb和Deoxy-Hb含量的變化,即大腦神經(jīng)活動導致的局部血流動力學變化,由此獲得大腦皮質(zhì)的神經(jīng)活動成像分析[5,7]。

2 功能性近紅外光譜術(shù)在針刺研究中的應用

fNIRS在針刺研究中的應用尚處于初期,其研究方向主要是針刺對正常及病理狀態(tài)下腦功能活動的影響。

2.1 針刺對正常狀態(tài)腦功能的影響 合谷是針刺臨床常用的穴位,也是基礎(chǔ)研究中經(jīng)常使用的穴位,針刺對腦功能的影響多圍繞這一穴位開展。韓雅迪等[8]應用fNIRS研究了針刺合谷穴對腦功能的影響,研究人員將健康受試者隨機分為針刺組和對照組,針刺組給予右側(cè)合谷的針刺干預,對照組不接受任何干預,實時記錄針刺前后前額皮質(zhì)Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量變化,結(jié)果表明,針刺組Oxy-Hb含量較對照組顯著升高,說明針刺合谷穴能激活大腦前額葉皮質(zhì),從而影響其功能。FERNANDEZ ROJAS等[9]對11名健康受試者進行了同一模式的針刺操作,即針刺受試者左側(cè)合谷穴,在進針得氣后捻針3次,分別為10 s,期間休息30 s,然后出針,在此過程中應用24通道fNIRS檢測儀檢測了雙側(cè)大腦皮質(zhì)體感Ⅰ區(qū)(SⅠ)的Oxy-Hb含量變化,結(jié)果顯示進針和捻針時Oxy-Hb都會出現(xiàn)一定程度的升高,得氣時曲線達到最高峰,進一步應用小波相干性分析各通道Oxy-Hb信號以研究左右大腦的腦連接特征,發(fā)現(xiàn)大腦左右半球SⅠ區(qū)的Oxy-Hb信號在低頻段(0.08～0.15 Hz)和極低頻段(0.01～0.08 Hz)有著強相關(guān)性(這2個頻段被認為與神經(jīng)元活動相關(guān),且不受呼吸和心率等生理功能影響),說明針刺一側(cè)合谷穴能引起左右大腦特定區(qū)域的同步性反應。SI等[10]對20名健康受試者針刺右側(cè)合谷穴,應用fNIRS比較了針刺得氣與不得氣時雙側(cè)運動皮質(zhì)區(qū)、前額葉皮質(zhì)區(qū)的Oxy-Hb含量變化,結(jié)果顯示針刺得氣可以使雙側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)和運動皮質(zhì)區(qū)的Oxy-Hb含量顯著下降,并且可以增強雙側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)和運動皮質(zhì)區(qū)的功能連接和通信效率,客觀顯示了針刺得氣時的腦功能狀態(tài)。

2.2 針刺對疾病狀態(tài)腦功能的影響

2.2.1 針刺對焦慮、抑郁患者腦功能的影響 廣泛焦慮障礙(Generalized Anxiety Disorder,GAD)是常見精神障礙疾病,臨床表現(xiàn)為坐立不安、胸悶、心悸、手抖等。臨床研究表明針刺治療對GAD具有一定的調(diào)節(jié)作用[11]。有研究顯示,與健康人相比,GAD患者的前額葉激活不足,并且焦慮嚴重程度與前額葉激活程度負相關(guān)[12-14]。項相印[15]發(fā)現(xiàn),針刺可以改善GAD患者的擔憂、思慮等精神性癥狀以及肌肉震顫、心悸等軀體性癥狀;進一步發(fā)現(xiàn)針刺能夠激活GAD患者左背側(cè)前額葉,出現(xiàn)以O(shè)xy-Hb含量上升、Deoxy-Hb含量下降的即時響應特征,認為針刺對GAD患者的情緒調(diào)節(jié)作用可能與左背側(cè)前額葉皮質(zhì)的激活有關(guān)。

抑郁癥是以心情低落為主要癥狀的一種疾病,發(fā)病率逐年上升,西藥治療抑郁癥不良反應明顯,因針刺療法具有安全無不良反應的特點,使得越來越多的患者傾向于針刺療法,目前大量研究表明針刺治療抑郁癥有效[16-17]。有研究顯示抑郁癥主要與大腦前額葉功能異常有關(guān)[18]。陳小艷等[19]對比了針刺治療與西藥治療在抑郁癥上的療效,針刺組采用2組穴位交替使用,一組為神庭、中脘、關(guān)元、合谷、太沖、足三里,二組為百會、心俞、肝俞、脾俞、肺俞、腎俞、命門,西藥組采用草酸艾司西酞普蘭片,發(fā)現(xiàn)2種干預方式療效相當。同時,應用fNIRS觀察了治療前后腦功能的變化,結(jié)果顯示針刺組和西藥組的Oxy-Hb較治療前明顯上升,且第1周針刺組Oxy-Hb明顯多于西藥組,提示針刺和藥物均可增加前額葉區(qū)的Oxy-Hb含量,從而改善情緒中樞的調(diào)節(jié)能力,減輕抑郁癥狀。陳窈[20]應用fNIRS對比了健康受試者和抑郁癥患者在接受針刺時的腦功能變化,結(jié)果顯示,針刺抑郁癥患者可使左背外側(cè)前額葉皮質(zhì)Deoxy-Hb顯著下降,Oxy-Hb顯著上升,而針刺健康人,其左背外側(cè)前額葉皮質(zhì)無明顯響應,這也提示針刺改善抑郁癥可能與前額葉皮質(zhì)的激活有關(guān),并與機體狀態(tài)相關(guān)。

2.2.2 針刺對認知障礙患者腦功能的影響 輕度認知障礙(Mild Cognitive Impairment,MCI)是一種介于正常衰老和早期阿爾茨海默病及其他癡呆癥之間的過渡狀態(tài),是早期阿爾茨海默病的前驅(qū)期。臨床研究表明針刺治療MCI療效顯著[21]。GHAFOOR等[22]觀察了針刺對MCI患者療效及大腦前額葉皮質(zhì)的影響,并與健康受試者進行對比,發(fā)現(xiàn)MCI患者前額葉皮質(zhì)的Oxy-Hb含量明顯低于健康受試者,針刺第6周和12周后Oxy-Hb含量顯著升高,且蒙特利爾認知評估量表(Montreal Cognitive Assessment,MoCA)分數(shù)大于針刺前,說明針刺改善了MCI患者的認知功能,在持續(xù)12周的針刺治療中,MCI患者的量表評分與fNIRS的Oxy-Hb含量正相關(guān),提示針刺治療改善MCI患者的認知能力可能與前額葉皮層功能活動的改善相關(guān)。

卒中后認知障礙(Post-stroke Cognitive Impairment,PSCI)指腦卒中發(fā)生后6個月內(nèi)出現(xiàn)的認知障礙。有研究發(fā)現(xiàn),腦卒中后PSCI的發(fā)病率為56.6%[23]。大量研究表明針刺治療PSCI療效顯著[24]。CHEN等[25]將56例PSCI患者隨機分為對照組和觀察組,對照組僅給予藥物治療,觀察組在藥物治療的基礎(chǔ)上加頭針,發(fā)現(xiàn)與對照組相比,藥物加頭針治療能顯著改善認知功能,進一步運用fNIRS對患者大腦前額葉皮質(zhì)和頂葉運動區(qū)功能進行檢測,發(fā)現(xiàn)PSCI患者Oxy-Hb、Deoxy-Hb和總血紅蛋白(Total Hemoglobin,Total-Hb)含量均低于正常水平,藥物加頭針治療后,Oxy-Hb、Deoxy-Hb和Total-Hb含量均顯著升高,研究者認為頭針通過提高PSCI患者前額葉皮層和運動皮層的血紅蛋白水平,改善認知功能及相關(guān)腦功能活動。

2.2.3 針刺對創(chuàng)傷后應激障礙腦功能的影響 創(chuàng)傷后應激障礙(Post-traumatic Stress Disorder,PTSD)是由物理創(chuàng)傷或精神創(chuàng)傷引起的應激障礙。研究表明PTSD患者的相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)元異常放電,細胞能量代謝增加,局部血流增加,耗氧量增加,Oxy-Hb含量升高[26]。目前治療PTSD的藥物中鹽酸帕羅西汀療效和安全性較好,能抗焦慮、鎮(zhèn)靜和改善睡眠,但有明顯的成癮性。近年來,針刺治療PTSD得到醫(yī)學界的廣泛認可,且研究表明針刺可以有效改善PTSD[27]。張彥峰等[28]應用fNIRS探討了針刺治療PTSD的腦功能機制,以PTSD模型大鼠為實驗對象,采用針刺百會、神門、內(nèi)關(guān)和太沖進行治療,并檢查了大鼠大腦的血紅蛋白含量變化,發(fā)現(xiàn)造模之后相關(guān)腦區(qū)Oxy-Hb含量增加,Deoxy-Hb含量減少,針刺治療與帕羅西汀灌胃后Oxy-Hb含量顯著減少,Deoxy-Hb含量顯著增加,認為針刺的治療作用與帕羅西汀相似,都可以抑制PSTD后大腦皮質(zhì)神經(jīng)元異?；顒?穩(wěn)定細胞能量代謝的需求,恢復該區(qū)的正常耗氧量,從而改善大鼠的抑郁、焦慮癥狀。

2.2.4 針刺對弱視腦功能的影響 弱視是臨床眼科中的常見病和多發(fā)病,研究表明針刺對弱視具有良好的改善作用[29-30]。為了探討針刺治療弱視的腦功能機制,馬重兵等[31]以右側(cè)單眼瞼縫合法建立單眼弱視大鼠模型,對比了針刺和左旋多巴甲酯治療弱視的療效,并應用fNIRS檢測了大鼠視皮層17區(qū)的Oxy-Hb、Deoxy-Hb和Total-Hb含量的變化。結(jié)果顯示針刺可以改善弱視大鼠的視覺誘發(fā)電位潛伏期延長和振幅降低現(xiàn)象,同時發(fā)現(xiàn)造模后弱視眼的視覺皮層眼優(yōu)勢柱區(qū)Oxy-Hb含量顯著降低,針刺和藥物治療均可升高該區(qū)的Oxy-Hb含量,說明針刺和藥物可以調(diào)節(jié)弱視視覺皮層關(guān)鍵區(qū)域的異常功能,從而調(diào)整視覺電生理可塑性變化,改善弱視。

3 討論

fNIRS在針刺研究中的應用尚處于初期階段,目前的研究多集中在針刺對腦功能障礙相關(guān)疾病的機制探討上,如焦慮、抑郁、MCI、PTSD等,研究方向比較局限。fNIRS檢測的是大腦皮質(zhì)的血氧代謝狀態(tài),大腦皮質(zhì)是最高級中樞,參與了機體許多功能的調(diào)節(jié),包括感覺、運動、情緒、學習、記憶以及內(nèi)臟功能,也是視覺中樞所在區(qū)域。在經(jīng)絡(luò)研究中有學者曾提出了“經(jīng)絡(luò)-皮層-內(nèi)臟相關(guān)”的假說[32],認為經(jīng)絡(luò)現(xiàn)象與大腦感知和臟腑學說密切相關(guān),針刺的得氣感必須經(jīng)過大腦皮質(zhì)反應才能被感知[33]。由此可見,fNIRS在針刺研究中的應用還可進一步拓寬,包括針刺對高級神經(jīng)活動或內(nèi)臟功能調(diào)節(jié)的研究、經(jīng)絡(luò)理論的研究(如穴位特異性研究、腧穴配伍研究)、得氣的研究,針刺手法的研究等,發(fā)揮fNIRS的技術(shù)優(yōu)勢,有助于揭示更多針刺理論的科學基礎(chǔ)和針刺效應的科學原理。

從針刺fNIRS研究關(guān)注的腦區(qū)來看,主要為前額葉皮質(zhì),前額葉位于額葉的最前端,是重要的加工整合中樞,參與調(diào)控多種高級腦功能,包括記憶、注意力、情感、決策,也參與對內(nèi)臟功能的調(diào)節(jié)等[34]。根據(jù)位置的不同,前額葉皮層可分為額極、內(nèi)側(cè)、背外側(cè)、腹外側(cè)和眶額皮層[35]。不同位置調(diào)控著不同的功能,在對信號的分析中,還可進一步分析前額葉皮質(zhì)各亞區(qū)的血氧代謝活動。例如,在兒童大腦右側(cè)的背外側(cè)前額葉區(qū),多動癥患兒的fNIRS信號復雜度明顯高于健康對照兒童,研究者認為fNIRS信號這一特征可作為一種識別多動癥兒童的潛在生物標記[36]。此研究若將前額葉作為一個整體進行分析,局部的特異性變化可能并不顯著。因此,細化腦區(qū)的信號分析更有利于挖掘出與研究問題相關(guān)的腦功能特征表現(xiàn)。此外,大腦皮質(zhì)其他區(qū)域,如頂葉主要處理感覺信息,顳葉處理聽覺、語言和記憶信息,枕葉處理視覺信息等,可根據(jù)不同研究目的,選擇相應的皮層區(qū)域開展基于fNIRS的針刺研究。

對于fNIRS數(shù)據(jù),常用的分析方法是用儀器自帶的分析軟件,或?qū)⒃紨?shù)據(jù)導入MATLAB軟件,進行濾波降噪(濾除數(shù)據(jù)中的呼吸、心率、血壓波動等正常生理活動產(chǎn)生的噪聲干擾)后將光強度信號轉(zhuǎn)換為血氧含量的相對變化量,并進行統(tǒng)計分析。這些方法屬于線性分析,具有簡單、直接,所得結(jié)論易統(tǒng)一的特點。然而,大腦是一個非線性、非平穩(wěn)的,且由大量神經(jīng)元群相互連接的復雜動力學系統(tǒng)[37],單純的線性分析方法不足以全面、客觀揭示大腦的變化特征。目前,非線性方法已廣泛地應用于fMRI和EEG的數(shù)據(jù)分析中,包括熵分析、小波分析和復雜度分析等[38]。對于fNIRS數(shù)據(jù),同樣具有非線性的特征,并且在實際應用中還具有多變量(多通道)的特點,因此在數(shù)據(jù)分析時,采用一些非線性的分析方法,有助于更深入地揭示針刺對腦功能的影響。此外,大腦的功能連接也是fNIRS數(shù)據(jù)常用的分析方法,即探索多個通道之間的時間相關(guān)性,但目前在針刺研究中應用得還是比較少,之后可對腦功能連接多做一些分析,以探索針刺對大腦的影響是否具有協(xié)同性、探索施針者與受試者之間的交互影響等。

4 小結(jié)

fNIRS具有簡單易用、費用較低、非侵入性的優(yōu)點,以及具有較高的空間分辨率和時間分辨率,在腦神經(jīng)作用機制研究方面得到了廣泛應用。但基于fNIRS技術(shù)的針刺研究尚處于初期階段,研究方向、關(guān)注的腦區(qū)都還比較局限,所獲信號數(shù)據(jù)的分析方法也相對比較簡單,這些都有待進一步地深入探索和挖掘。此外,在研究范式上,由于fNIRS在心理學中有比較成熟的研究范式,在針刺研究中,一些學者會直接借鑒,但直接借鑒不一定符合針刺作用特點,例如單一任務(wù)的重復執(zhí)行模式,這可能就不太適合針刺研究,因為針刺的有創(chuàng)刺激容易產(chǎn)生遺留感,且會對受試者的心理預期產(chǎn)生一定影響,從而影響腦血流的變化,因此我們需要根據(jù)不同的研究目的,探索符合針刺特點的fNIRS研究范式。再者,fNIRS信號易受個人因素的干擾,如眨眼、運動、情緒變化等,因此在實驗中也應減少這些因素對信號的干擾,例如可囑咐受試者閉眼、放空思緒、勿動等。以上這些需要我們在臨床研究實踐中不斷探索,積累經(jīng)驗,形成規(guī)范。希冀有更多的學者參與到基于fNIRS的研究中來,為針刺研究探索更多、更規(guī)范的研究方法,以促進針刺研究的發(fā)展,揭示針刺的科學原理。

利益沖突聲明:無。