利用腦電圖功率譜密度研究電針的鎮(zhèn)靜作用

高燕鳳，宋大為，王 強(qiáng)，顏 飛

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院麻醉科，陜西西安 710061)

電針是中國(guó)傳統(tǒng)針灸的現(xiàn)代變形。研究表明，電針對(duì)癌癥疼痛管理、抗術(shù)后惡心、抗炎和減少術(shù)后并發(fā)癥有良好的作用[1]。電針可以作為圍術(shù)期護(hù)理以及其他臨床應(yīng)用中的重要輔助手段[2]。近年來(lái)，已有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)電針可誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜作用。然而，這些研究主要是針對(duì)電針與麻醉藥或鎮(zhèn)靜藥聯(lián)合產(chǎn)生的鎮(zhèn)靜作用。既往研究表明，電針能顯著增加丙泊酚誘導(dǎo)下的全麻患者的鎮(zhèn)靜深度[3]。電針能顯著降低咪達(dá)唑侖的劑量[4]。電針單獨(dú)應(yīng)用是否足以產(chǎn)生可觀(guān)察的鎮(zhèn)靜作用目前還不明確。電針誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜的生理機(jī)制的研究相對(duì)不足。

近年來(lái)，神經(jīng)科學(xué)借助于包括腦電圖(electroencephalogram, EEG)、腦磁圖以及核磁共振技術(shù)，獲取各個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)信息，通過(guò)現(xiàn)代信號(hào)處理和統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)量各個(gè)腦區(qū)之間信息交互強(qiáng)度，將各獨(dú)立的測(cè)量信號(hào)整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)全腦信息傳遞的整體分析。而目前認(rèn)為意識(shí)層次改變與大腦的這種信息整合功能改變相關(guān)[5]。本研究擬觀(guān)察電針單獨(dú)作用下能否產(chǎn)生鎮(zhèn)靜作用，并采用功率譜密度(power spectral density, PSD)的方法，分析電針過(guò)程中腦電圖的功率變化，探究電針鎮(zhèn)靜作用可能的生理機(jī)制。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象經(jīng)西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn)，本試驗(yàn)符合《赫爾辛基宣言》的規(guī)定。30名男性健康被試者納入該項(xiàng)研究。在試驗(yàn)開(kāi)始之前，所有被試者都被充分告知并且簽署書(shū)面的知情同意書(shū)。所有被試者均無(wú)針刺治療經(jīng)歷，無(wú)神經(jīng)或精神病史。每名被試者在試驗(yàn)前保證8 h充足睡眠且未服用任何藥物。

1.2 靜息態(tài)和電針態(tài)的試驗(yàn)流程符合納入和排除標(biāo)準(zhǔn)的健康者參與了試驗(yàn)，包括靜息態(tài)和電針態(tài)。這兩種狀態(tài)的序列由計(jì)算機(jī)生成的30組隨機(jī)數(shù)決定。隨機(jī)數(shù)范圍從1到2，其中1表示電針態(tài)，2表示靜息態(tài)。標(biāo)記有試驗(yàn)狀態(tài)順序安排(1，2)的紙被放置在30個(gè)編號(hào)密封、不透明的信封中。在完成報(bào)名后，由1名研究助理打開(kāi)信封，將試驗(yàn)狀態(tài)分配給被試者。

在電針態(tài)，將電極貼片貼于雙側(cè)足三里(ST36)、神門(mén)(HT7)和三陰交(SP6)的穴位。電極貼片與電針儀(華佗牌，SDZ-Ⅱ)相連接提供電刺激(2 Hz疏密波)持續(xù)30 min。刺激的幅度由專(zhuān)業(yè)從業(yè)者調(diào)整，要求刺激不會(huì)引起任何不適且沒(méi)有肌肉收縮。在靜息態(tài)，電極貼片貼在與電針態(tài)相同的穴位處，但沒(méi)有電刺激。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程包括兩個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)，被試者需要閉上眼睛，雙頻譜指數(shù)監(jiān)測(cè)儀(bispectral index monitor, BIS)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被試者的鎮(zhèn)靜深度。BIS值在60～80之間表示鎮(zhèn)靜，超過(guò)80的BIS值表示清醒。因此，要求被試者在靜息態(tài)下保持清醒，使得BIS值符合清醒標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)數(shù)據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，在靜息狀態(tài)下至少10 min BIS大于80，在電針狀態(tài)下至少10 min BIS小于80。標(biāo)記在兩個(gè)狀態(tài)時(shí)間BIS符合上述標(biāo)準(zhǔn)的10 min間隔時(shí)間。最后，有18名被試者被排除(因?yàn)锽IS數(shù)據(jù)不符合要求)，12名被試者的數(shù)據(jù)可用。

1.3 EEG采集及分析

1.3.1預(yù)處理 使用Synamps 2/RT系統(tǒng)(NeuroScan，Singen, 德國(guó))記錄30個(gè)通道的腦電圖數(shù)據(jù)。腦電圖數(shù)據(jù)采樣率為1 kHz。所有的通道都以左右乳突為參考電極，要求電阻的阻抗低于5 kΩ。在MATLAB R2017a中使用eeglab 13.5.4b工具箱對(duì)腦電圖信號(hào)進(jìn)行分析。我們選擇與所選BIS數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊的10 min腦電圖數(shù)據(jù)。利用帶通濾波將EEG數(shù)據(jù)濾波到0.5～40 Hz頻帶內(nèi)。通過(guò)目視檢查去除頭部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影和噪聲。將無(wú)偽跡的EEG信號(hào)重參考到共同平均參考(CAR)。

1.3.2PSD法 PSD也稱(chēng)為功率譜或頻譜，量化了信號(hào)中能量或功率的頻率分布。用功率譜方法計(jì)算腦電數(shù)據(jù)的功率譜密度。本方法利用信號(hào)重疊分割窗口函數(shù)和FFT算法計(jì)算信號(hào)序列的自功率譜估計(jì)。MATLAB信號(hào)處理工具箱提供了專(zhuān)用函數(shù)(P-welch)來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)Welch方法估計(jì)。頻譜分析參數(shù)：fs=250 Hz，F(xiàn)FT點(diǎn)個(gè)數(shù)nfft=512，窗口=hanning(nfft)，noverlap=50%。計(jì)算每名被試者在時(shí)間窗和通道上的平均值的組級(jí)PSD。計(jì)算的頻率范圍為0.5～30 Hz，分為4個(gè)頻段(δ：1～4 Hz，θ：5～8 Hz，α：9～12 Hz，β：13～25 Hz)。計(jì)算每個(gè)波段的功率百分比。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)比較靜息態(tài)狀態(tài)與電針狀態(tài)之間的BIS值和功率譜密度變化，對(duì)于差異明顯的頻段內(nèi)的功率譜密度，分別對(duì)各頻段進(jìn)行兩因素重復(fù)測(cè)量的方差分析。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

根據(jù)排除標(biāo)準(zhǔn)，有18名被試者被排除，本研究共納入12名健康被試者。納入被試者的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息：平均年齡(23.6±2.0)歲、平均身高(175.6±4.2)cm，平均體質(zhì)量(71.8±8.0)kg。

2.1 電針引起的鎮(zhèn)靜作用由BIS量化靜息態(tài)和電針狀態(tài)的BIS平均值分別為87.4±9.8和72.3±13.0(圖1)，電針狀態(tài)的BIS呈下降趨勢(shì)，而靜息態(tài)的BIS則相對(duì)穩(wěn)定。組間比較顯示，經(jīng)過(guò)約200 s的電針刺激后，隨著刺激時(shí)間的增加，電針組的BIS值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)(表1)。整體分析顯示，電針態(tài)的BIS低于靜息狀態(tài)(P<0.05)。

2.2 電針誘導(dǎo)的鎮(zhèn)靜作用調(diào)控PSD的動(dòng)態(tài)變化4個(gè)頻段的功率點(diǎn)比如圖2所示。在靜息狀態(tài)下，PSD顯示兩個(gè)峰值分別在0.5 Hz(δ波段)和10 Hz(α波段)并且第1個(gè)峰值大于第2個(gè)。在電針狀態(tài)下，功率主要分布在低頻范圍(δ波段)。與靜息狀態(tài)相比，電針態(tài)下δ的功率增加(P<0.05)，α的功率減少(P<0.05)。電針態(tài)在θ波段的功率占比略低于靜息狀態(tài)，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在β波段，電針的功率占比略高于靜息狀態(tài)，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 靜息態(tài)和電針態(tài)的BIS值的變化趨勢(shì)

Fig.1 Trend of BIS between resting state and electro-acupuncture state (n=12)

圖2 靜息態(tài)和電針態(tài)下4個(gè)波段的功率占比比較

Fig.2 Comparison of power ratios in the four bands between the two states

與靜息狀態(tài)比較，*P<0.05。

3 討 論

本研究第1次證實(shí)電針單獨(dú)作用能夠產(chǎn)生鎮(zhèn)靜作用。本項(xiàng)研究中，在健康人的雙側(cè)足三里、神門(mén)、三陰交穴位給予電針刺激，采用BIS監(jiān)測(cè)被試者的鎮(zhèn)靜程度。比較兩種狀態(tài)下BIS指標(biāo)的變化，發(fā)現(xiàn)電針狀態(tài)下的被試者的BIS值明顯低于靜息狀態(tài)的BIS值，且BIS曲線(xiàn)隨著電針刺激時(shí)間的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。這表明在電針的刺激下，被試者的大腦活動(dòng)和意識(shí)水平降低，并且刺激時(shí)間越長(zhǎng)，觀(guān)察到的電針?biāo)鸬逆?zhèn)靜作用越明顯。結(jié)果表明，在雙側(cè)足三里、神門(mén)和三陰交處單獨(dú)使用電針可以產(chǎn)生鎮(zhèn)靜作用。

表1 不同時(shí)間兩種狀態(tài)下BIS指數(shù)的比較

狀態(tài)開(kāi)始試驗(yàn)前試驗(yàn)100s試驗(yàn)200s試驗(yàn)400s試驗(yàn)800s試驗(yàn)1000s試驗(yàn)1800s靜息態(tài)94.2±5.190.8±8.191.3±6.490.3±5.386.3±4.486.3±4.987.1±6.0電針態(tài)88.0±3.187.0±5.380.0±7.7?78.0±6.7?73.0±5.6?70.0±8.7?68.0±3.3?統(tǒng)計(jì)值3.263.0527.0133.5533.9832.5635.45P0.0790.0730.0080.0050.0050.0060.000

與靜息態(tài)比較，*P<0.05。

BIS是通過(guò)EEG的算法分析來(lái)量化和評(píng)估意識(shí)水平的一種新方法。BIS已常規(guī)用于麻醉過(guò)程密切監(jiān)測(cè)和關(guān)注患者的鎮(zhèn)靜狀況[6]。因此，我們以BIS作為客觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定電針是否能單獨(dú)誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜。BIS檢測(cè)儀給出了一個(gè)指標(biāo)，說(shuō)明該被試者的鎮(zhèn)靜程度，通過(guò)提供一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)字，從0(等效于EEG等電位)到100(相當(dāng)于完全清醒和警惕)。BIS值在85～100，表示清醒水平：BIS值在60～80，表示屬于鎮(zhèn)靜范圍[7]。因此，通過(guò)對(duì)BIS值的觀(guān)察和分析，我們可以直觀(guān)、清晰地看到單獨(dú)使用電針是否能夠真正誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜。

EEG是大腦神經(jīng)細(xì)胞群電生理活動(dòng)總體反映，具有毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率，用于記錄大腦電活動(dòng)的電生理監(jiān)測(cè)方法。頭皮腦電圖顯示各種頻率的波動(dòng)，這些頻率具有特定的頻率范圍、空間分布和不同的腦功能狀態(tài)[8]。腦電圖的模式與正?；虿±頎顟B(tài)下的大腦皮層狀態(tài)密切相關(guān)，EEG可準(zhǔn)確識(shí)別意識(shí)、無(wú)意識(shí)、發(fā)作活動(dòng)、睡眠階段和昏迷狀態(tài)。健康人除個(gè)體差異外，在一生的不同年齡階段，腦電圖都各有其特點(diǎn)，但就正常成人腦電圖來(lái)講，其波形、波幅、頻率以及相位等都具有一定的特點(diǎn)?；贓EG的PSD分析發(fā)現(xiàn)，在睡眠和麻醉期間，腦電不同頻段的變化。對(duì)于睡眠，非快速眼動(dòng)睡眠的特點(diǎn)是大腦皮層中緩慢的波動(dòng)(1～4 Hz)和紡錘波(12～16 Hz)，快速眼動(dòng)睡眠的EEG由混合頻率組成[9]。在麻醉方面，當(dāng)給予麻醉藥物后，腦功能狀態(tài)發(fā)生劇烈的改變，腦電圖的變化很明顯被記錄。由于不同麻醉藥物的分子機(jī)制及作用的神經(jīng)環(huán)路不同，產(chǎn)生的腦電圖特征亦不相同。但除外氯胺酮等特殊藥理機(jī)制的麻醉藥物，絕大多數(shù)麻醉藥物都通過(guò)GABA受體產(chǎn)生鎮(zhèn)靜作用，因此，全身麻醉誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜過(guò)程中所記錄的腦電圖模式與慢波睡眠時(shí)所觀(guān)察到的腦電圖模式非常相似，這兩種模式都是由大振幅慢波控制[10]。各種麻醉劑(丙泊酚、地氟醚、異氟醚、七氟醚)通常用于產(chǎn)生全身麻醉或鎮(zhèn)靜狀態(tài)。和睡眠一樣，全身麻醉和鎮(zhèn)靜狀態(tài)與覺(jué)醒水平的改變有關(guān)[11]。根據(jù)PSD分析，電針誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜可能與麻醉誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜和睡眠有相似的發(fā)現(xiàn)。

我們觀(guān)察了4個(gè)不同的頻率振蕩，范圍從δ到β波段的頻譜。與靜息狀態(tài)相比，電針狀態(tài)下的δ波段的功率增加，α波段功率降低。而θ波段與β波段的功率占比在兩種狀態(tài)之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。研究表明，由丙泊酚誘導(dǎo)的鎮(zhèn)靜過(guò)程中，腦電圖α和β波段的功率增加。隨著麻醉劑濃度的增加，在更深的水平(失去意識(shí))δ波段增加成為主要頻率成分。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)經(jīng)皮穴位電刺激干預(yù)后，在輕度丙泊酚鎮(zhèn)靜時(shí)，α和β波段的功率增加，但在深度丙泊酚鎮(zhèn)靜時(shí)，δ和β波段的功率降低[12]。將電針誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜與麻醉誘導(dǎo)鎮(zhèn)靜作比較，我們可以從功率變化的角度觀(guān)察鎮(zhèn)靜過(guò)程中δ和α波段的變化。

關(guān)于針刺鎮(zhèn)靜的機(jī)制研究目前并不多見(jiàn)。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)認(rèn)為，針刺通過(guò)經(jīng)絡(luò)的感傳效應(yīng)，調(diào)節(jié)患者的情志，起到鎮(zhèn)靜安神的作用。以往的研究表明，在麻醉開(kāi)始前，針刺輔助術(shù)前準(zhǔn)備可以使患者明顯放松，并能夠增強(qiáng)鎮(zhèn)靜效果，減少麻醉藥物的使用劑量。但以上研究多是與藥物聯(lián)合應(yīng)用，可以增加鎮(zhèn)靜效果，并且較少涉及機(jī)制方面的研究。有研究表明，針刺刺激足三里穴位后，δ和α波段的功率增加[13]。我們的研究結(jié)果與以往的研究不完全一致，其原因可能是電針會(huì)影響腦電圖信號(hào)的功率分布，并且不同穴位的影響是不同的。從丘腦和腦干到皮質(zhì)的興奮性輸入減少，增強(qiáng)了皮質(zhì)錐體神經(jīng)元的超極化，這種效應(yīng)有利于出現(xiàn)慢波和δ波。δ震蕩通常被認(rèn)為與深度睡眠狀態(tài)和神經(jīng)功能損害有關(guān)。此外，α振蕩主要是作為一種自上而下控制的腦電圖抑制機(jī)制[14]。可見(jiàn)，由電針誘導(dǎo)的鎮(zhèn)靜產(chǎn)生的δ和α振蕩的功率變化與大腦意識(shí)狀態(tài)的變化密切相關(guān)[12]。

綜上所述，單獨(dú)使用電針就足以產(chǎn)生可觀(guān)察的鎮(zhèn)靜效果。因此，電針可以作為臨床鎮(zhèn)靜和麻醉的重要輔助手段。此外，電針引起的鎮(zhèn)靜作用伴隨著腦電活動(dòng)發(fā)生改變，慢波活動(dòng)增加，這將有助于進(jìn)一步研究電針引起的鎮(zhèn)靜機(jī)制。