功能磁共振成像技術在針刺治療中風偏癱腦機制研究的現狀及前景

胡赫其，魯海，韓李莎，胡佳慧，張春紅

1天津中醫藥大學第一附屬醫院針灸臨床部，天津 300193；2天津中醫藥大學研究生院，天津 301617；3寶安純中醫治療醫院針灸推拿康復科，廣東深圳 518000；4浙江省人民醫院康復科，浙江杭州 310014；5國家中醫針灸臨床醫學研究中心，天津300381

中風是最常見的急性腦血管病，其較高的發病率、病死率、致殘率已嚴重威脅到人們的生活。針刺作為中醫重要的外治手段，在鎮痛、腦血管病、心身疾病等領域療效可觀，尤其在中風病的康復治療中發揮日益顯著的作用，在世界范圍內已廣泛應用于臨床。目前，對針刺效應的機制研究也在拓寬加深，逐漸深入到現在的分子、基因等微觀水平；而近年來多模態成像技術的介入將該領域引入可視化方向，為探究針刺的中樞效應機制提供了新思路、新方法。這其中，功能磁共振成像（fMRI）是集功能、影像、解剖為一體的活體定位腦功能活動區的技術，它根據神經周圍毛細血管的血氧水平變化間接反映神經活動，并以此為基礎進行數據分析得到人腦不同區域的激活情況以及各個腦區之間的關系，因其兼有較高的時空分辨率且安全無創的優點，是目前腦功能成像應用最廣泛的技術之一［1-2］，并逐漸產生了針刺神經影像學這門新興的交叉學科［3］。本文就目前基于fMRI技術研究針刺治療中風偏癱腦機制的現狀予以多角度、多層次的論述，分析目前可能存在的問題并展望其應用前景。

1 fMRI應用于針刺治療中風病的研究現狀

fMRI根據掃描過程中是否執行任務分為了任務態（task-fMRI）和靜息態（rs-fMRI）。經典的fMRI研究主要指任務態研究，task-fMRI通過執行特定任務如主動或被動運動，來誘發大腦皮層出現相應的神經活動，分析BOLD信號變化，觀察特定任務下的神經元響應，針刺任務常包括接電針或手動捻針［4］。研究發現人體處于安靜時的大腦活動也非常活躍，尤其是有些腦網絡，如默認網絡在靜息狀態下活動要強于任務狀態，因此學者們認為rs-fMRI能反映人腦自發活動情況，rs-fMRI要求被試者處于安靜放松狀態下獲取信號，之后根據目的對數據處理分析，觀察針刺后局部腦區活動以及不同功能腦區之間的連接情況及對運動/感覺等腦網絡的調制影響。隨著fMRI研究愈發成熟，派生出了許多分析方法，目前常見的任務態分析方法為基于GLM一般線性模型分析腦激活區，此外包括通過動態因果分析和格蘭杰因果分析的有效連接（EC）及表征相似性分析等也逐漸受到關注，靜息態分析方法有局部一致性（ReHo）、功能連接（FC）/EC、低頻振幅（ALFF）/比率低頻振幅（fALFF）、腦網絡分析方法等［5-6］。

1.1 task-fMRI研究

針刺治療中風偏癱的task-fMRI研究，多數采用組塊設計、事件相關設計，將任務狀態與靜息狀態對比，分析針刺刺激時中風患者健-患側腦區的激活與負激活效應，主要觀察針刺的即刻效應。有研究在任務態下發現，與假針刺相比真針刺陽陵泉能正激活患側顳葉和舌狀回、小腦，而健側的運動皮質和患側的下肢運動皮質激活效應較低，認為針刺可增強運動-認知相關腦區的聯系，并降低未受損運動皮質的代償，從而減輕患側肢體的聯合運動，緩解痙攣狀態［7］。有研究發現相較于執行運動任務時激活的腦區，針刺陽陵泉穴除了同側運動前區有部分激活外，雙側基底核等椎體外系有明顯激活，分析針刺可能通過皮質-基底核-丘腦-皮質的反饋回路來調節興奮性谷氨酸和抑制性氨基丁酸兩種神經遞質的釋放來降低肌肉肌張力［8］。也有研究采用任務態設計，對16名缺血性卒中患者研究后發現，相較于假針刺，針刺外關穴能明顯負激活健側的頂葉前梨狀皮質區，該區域與病灶的位置接近，認為是針刺引起病灶周圍血流量增加導致該區相對抑制，是機體自我代償的體現［9］。有研究對中風患者針刺曲池穴和足三里穴，觀察不同取穴對腦激活區域的影響，發現針刺曲池穴主要激活患側次級體感皮層，而足三里穴激活了雙側次級體感皮層及健側下半月小葉［10］。以上研究說明針刺不同穴位可激發特定的腦通路，從而引起相應腦區的激活。Li等［11］發現針刺在得氣和非得氣狀態下激活的腦區不同，針刺外關穴得氣后對小腦右前葉、邊緣葉有特異性激活，可見得氣也是針刺起效的關鍵因素。有文獻對缺血性中風患者的fMRI研究采用組塊設計，比較外關穴針刺刺入與針刺捻轉之間的腦部激活區域差異，結果示針刺激活的區域主要集中在健側半球的初級感覺、運動皮層，且針刺捻轉較針刺刺入能激活更多的腦部區域，說明針刺操作手法可能會對最終的療效產生重要影響［12］。

1.2 rs-fMRI研究

1.2.1 ReHo分析 ReHo是一種局部功能活動特性分析方法，通過計算某一體素與相鄰若干體素時間序列之間的肯德爾相關系數，然后將相關系數向每一體素賦值，其代表著某一腦區局部的功能強度［13］。ReHo值增高表明腦局部的神經元活動在時間上趨向同步，因此該分析法主要研究局部神經的同步性活動情況［14］。有學者在靜息態下觀察針刺陽陵泉前后對中風患者腦部ReHo值的影響，研究發現與針刺前相比，針刺后患者的健側額中回、中央前回、中央后回、頂下小葉及雙側尾狀核的ReHo值增強，從神經自發活動層面說明了針刺通過對健側局部區域的功能重組，實現對患側腦損傷的代償［15］。Chen等［16］對10例缺血性中風患者進行健側肢體針刺，發現針刺后患側中央前回和額上回ReHo值升高，患側頂葉上葉、健側梭狀回和輔助運動區ReHo值降低，認為針刺能刺激雙側大腦活動，尤其是位于中央前回的初級運動皮質和前運動皮質，也是運動啟動和運動控制的最重要腦區，與肢體功能的恢復有關，但兩側激活程度及部位不一致，因此針刺時需斟酌考慮選擇健或患側肢體。謝西梅等［17］則比較了不同針刺方式對缺血性中風患者ReHo信號的影響，發現電針較常規針刺激活的腦區更多，且信號改變更明顯。

1.2.2 ALFF/fALFF分析 ALFF/fALFF也屬于局部功能活動特性分析方法，該方法將每個體素的時間序列提取出來，通過濾波得到頻率為0.01～0.08 Hz的低頻信號，然后經傅里葉變換得到頻率域，進而得到對應的能量譜，通過計算得到ALFF值，可反映腦局部的自發活動［18］。而fALFF是由ALFF值除以整個頻段ALFF值得到，fALFF可有效抑制腦池部位的非特異性信號，減少生理噪音干擾，提高檢測腦自發活動的敏感度和特異度［19］。有學者采用ALFF來分析針刺痙攣側拮抗肌對靜息狀態下大腦功能活動有何影響，結果發現與針刺前相比，枕中回、丘腦、額上回、楔前葉等腦區的ALFF值增強，分析可能是通過直接或間接調節椎體外系的功能活動水平，從而降低痙攣部位肌張力水平［20］。歐芳元等［21］將腦梗死患者和健康人比較，觀察針刺前后靜息狀態下全腦fALFF的特點及變化，結果示腦梗死組治療4周后患側顳下回、小腦、枕上回、中央前回及健側楔葉等腦區fALFF值顯著升高，雙側后扣帶回等腦區顯著下降，其中中央前回和中央旁小葉比值與針刺治療后Brunnstrom運動功能分級呈正相關，說明腦梗死患者在針刺后腦區的fALFF值發生變化，可能與針刺改善梗死后運動障礙及重塑功能網絡相關。

1.2.3 FC/EC分析 FC反映的是不同腦區之間神經活動的相互關系，對所得數據進行皮爾遜相關分析，得到不同腦區關系強弱結果，根據是否在時間尺度上估算時變可分為靜態功能連接和動態功能連接［22］。而EC則是采取建立結構方程模型、多變量自回歸模型或者格蘭杰因果分析和動態因果分析，既度量了大腦不同區域之間連接關系的強弱，又能記錄神經元之間的時間關系，使連接具有方向性，可以闡明了大腦活動的神經交互機制［23］。Zhang等［24］發現在靜息狀態下，中風患者在針刺后后扣帶回與右側頂下小葉、額中回、顳下回以及雙側額上回等的功能連接減弱，而與雙側中央前回、中央后回、頂下小葉、顳上回、島葉及右額下回的功能連接增強，認為針刺的起效機制可能是通過對默認腦網絡的調節。Fu等［25］采用格蘭杰因果分析探討針刺對腦梗死內在靜息網絡之間有效連接的影響，發現在針刺前，左額頂網絡的輸入大部分來自其他網絡，而默認腦網絡向其他網絡的輸出最多，針刺后可逆轉該現象，說明針刺可能可調節多個腦網絡，尤其是通過作為中繼站的默認腦網絡在左額頂網絡與感覺運動網絡之間傳遞信息，從而重新整合腦內的有效連接，發揮神經功能重組作用。

1.2.4 腦網絡分析 近年來，基于圖論的腦網絡分析法成為一個研究熱點，該方法假設大腦由節點（腦區）和連邊（節點間的連接）組成，使得各個腦區之間形成各種連接，構建大腦功能連接圖，并通過各類指標（包括聚類性、最短路徑長度、模塊化、局部效率和整體效率等）比較針刺前后的功能連接差異［26］。Han等［27］在靜息狀態下通過圖論分析研究針刺對中風患者小世界屬性的影響，發現中風后全腦網絡的平均局部效率等小世界屬性均有所降低，而針刺能顯著提高中風個體的聚類系數和平均局部效率，進一步證實了針刺對中風后功能性全腦網絡的調節作用。有學者觀察針刺對3例不同部位卒中后失語患者腦網絡的影響，發現針刺后3例患者皮層語言網絡、皮層下網絡的內、外連接總體均上升，說明皮層語言網絡、皮層下網絡內、外連接的增強與針刺后的語言功能恢復具有相關性，同時3例患者皮層語言網絡的內連接均有增強，提示可以此作為語言功能的監測指標［28］。

1.3 雙態結合研究

目前，也出現了將task-fMRI與rs-fMRI聯合應用的研究，根據研究目的選用分析方法來觀察中風患者有無執行/被執行任務時對應指標的差異。有學者將任務態和靜息態相結合，對健康人和中風偏癱恢復期患者在針刺前、中、后分別進行rs-fMRI與task-fMRI掃描，結果顯示患者在被動運動任務期間皮質和皮質下的有效連接明顯降低，針刺陽陵泉可以增強小腦和初級感覺運動皮質間有效連接從而代償［29］。Ning等［30］也采取相同的試驗設計，發現針刺陽陵泉可使中風偏癱患者原本降低的雙側初級運動皮層之間的功能連接增強，而健康組前后無明顯差異。

1.4 小結

綜上，通過task-fMRI、rs-fMRI的研究發現針刺時/后，大腦皮質運動區、感覺區以及小腦、基底節等部位出現了不同程度的激活，腦局部活動明顯增強，同時針刺也可改變某些區域之間的功能連接/有效連接，對運動、感覺、語言等腦功能網絡發揮調節作用，被認為是潛在的針刺中樞效應機制。此外，中風后全腦網絡趨向于效率低下的隨機網絡［31］，而針刺能夠調節中風后全腦網絡的中斷模式，改善全腦功能網絡小世界拓撲屬性，使得神經功能得以重組。腧穴與腦區之間也存在特殊相關性，針刺不同的穴位能引起中風患者不同腦區激活狀態的改變，比如針刺外關時運動、聽覺、語言、情緒有關等相關腦區出現激活［32］，而針刺陽陵泉主要集中在小腦、中腦、大腦皮質等運動區［7-8］，也在中樞層面解釋了經穴作用靶點的特異性。

2 討論與展望

人腦是由上千個神經元細胞構成一個結構與功能高度集合的整體，但其中功能結構的關聯性仍待研究。自從發現大腦結構網絡具有“小世界”屬性和模塊化結構等拓撲屬性后［33-35］，隨著多模態成像技術逐步成熟，人腦連接組的研究逐步從大腦結構網絡擴展到了大腦功能網絡，這為進一步探索針刺的腦效應機制提供了技術支持，同時為臨床工作者治療中風偏癱提供了有證可循的可視化依據，并加深對針刺如何改變大腦功能從而治療中風的理解。fMRI技術從20世紀90年代逐步興起，現已趨于成熟，而在這之前腦電圖、腦磁圖等無創腦功能檢測技術早已深入大腦病生理研究領域。相較于能直接反映神經電生理、電磁活動的腦電圖及腦磁圖，fMRI只能通過神經周圍小血管血氧水平變化來間接地說明腦活動情況，但其超高的時空分辨率是其它檢測技術所無法比擬的，因此fMRI應與其他檢測技術互相彌補，全方位、多維度觀察腦活動。但不可否認的是，在技術和研究層面，其操作性、科學性有諸多問題仍值得深度探討。

首先是任務態、靜息態如何選擇。目前針刺對中風患者腦機制fMRI研究任務態和靜息態均有涉及，其試驗設計、分析方法、觀察目標均不同：（1）task-fMRI：任務態反映的是被試者在執行/被執行任務時大腦的活動情況，體現針刺的即刻效應［36］。目前以單一針刺任務組塊設計和非重復事件相關設計最為多見，此外還有研究者采用針刺配合被動運動任務，但因為試驗本身較為復雜，且為了排除兩次任務組塊間的干擾總體掃描時間較長，對患者及施術者要求較高。值得注意的是，針刺具有持續性效應，作為基線的靜息態可能存在波動，干擾試驗結果，故更建議采用非重復事件相關設計［37］，掃描過程中僅予針刺刺激1次，之后繼續留針掃描；（2）rsfMRI：既往研究表明人腦在靜息狀態下也存在自主神經活動［38］，靜息狀態下的信號在腦功能網絡內的不同腦區之間呈高度的同步性，能反映人腦自發的神經活動，能夠通過不同的數據處理方法得到針刺前、中、后的腦功能特點或變化情況［39］。試驗設計較任務態研究簡單，對患者要求低，更適用于中風患者［40］。但操作時為了保證患者處于安靜平穩狀態，筆者認為針刺的刺激強度不宜過重，而在臨床治療時，尤其是對中風急性期患者，為尋求最佳療效，刺激往往較強，試驗和臨床仍有較大差異。所以在實際應用中，應根據研究目的的不同選擇合適的方案，必要時可采用雙態聯合研究的范式。

其次，目前fMRI研究仍存在一定的局限性：第一，因目前技術水平的限制，網絡節點的選擇以體素或者腦區為主，僅僅局限在大腦不同區域之間的聯系,而無法揭示深層神經元或神經元集群的連接關系，使得針刺中樞機制研究仍停留在較大尺度水平上，難以解釋針刺在更細微的神經元之間是如何進行效應傳遞［33］。第二，不同腦圖譜以及節點的選擇會造成結果的差異。Wang等［41］以兩種腦圖譜為基礎構建腦功能網絡，發現兩者的拓撲參數有明顯差異，而且選擇以腦區或體素為節點也對網絡拓撲性質產生明顯影響。中風狀態下無論是患者之間還是與正常人相比大腦結構絕不相同，結構是功能的基礎，基于正常人腦圖譜的fMRI研究對疾病狀態下的意義尚待探討，因此未來研究應當制作出適合中風病研究的腦圖譜并選取合理的節點。第三，中風的病程和治療周期較長，fMRI僅能反映較短時間內動態變化，尤其是任務態設計，難以做到對腦活動長期的動態觀察。某些研究分別在治療周期前后掃描并對結果進行比較，兩次掃描間隔較長，外界對受試者的干擾難以把控，期間進行多次掃描也不太現實，因此采取該試驗設計，其結果可能缺乏準確性。

對于目前針刺治療中風病的fMRI研究，仍存在很多不足。對于類似研究所得出的不同結果，未能對原因及中樞機制作更深入的闡釋，而且對健患側腦活動影響的差異性缺乏進一步分析，而這可能與受試者的年齡、病程、病灶部位以及施術者針法水平等因素有關［42］，要歸納出其中的普遍性和特異性并找出其中的關鍵腦區還需要大量針對性的試驗研究，并對試驗設計要有統一的標準。此外，很多試驗結果表明針刺后雖然某些腦區間的功能連接較高，但它們在結構上不直接相連，這其中的原因以目前已有的分析方法難以做進一步研究。且現有的研究分析方法較單一，以觀察局部腦區激活情況為多數，功能連接和有效連接能夠反映兩個節點無向的統計依賴關系和有向的因果效應［43-44］，但該類研究相對較少。建議未來研究重點應轉向通過有效連接構建一個有向的功能腦網絡來刻畫針刺效應在不同腦區傳遞的方向性，而不能只停留在單一腦區層面。

總之，fMRI針刺相關研究方興未艾，在試驗設計、分析方法、結果討論等方面仍需探索，與臨床實際也難以完美契合，但目前仍是腦機制研究的重要技術手段。當下對腦的研究如同冰山一角，針刺對腦的調節作用機制也亟待進一步證明，未來倡導多學科并舉，傳統理論與現代技術交叉融合，將以fMRI為代表的多模態影像技術融合應用于針刺研究并構建出針刺治療中風的特異性腦效應網絡，這對中國特色腦研究計劃的發展具有重大意義。