針刺手法效應(yīng)規(guī)律及神經(jīng)電信息機(jī)制研究

劉陽(yáng)陽(yáng) 郭義 郭永明

摘要 針刺手法是影響針刺療效的關(guān)鍵，然而其作用規(guī)律、機(jī)制尚不完全清楚。天津中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)針灸學(xué)研究中心郭義教授團(tuán)隊(duì)與天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院王江教授團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期以來圍繞針刺手法作用規(guī)律及神經(jīng)電信息機(jī)制開展合作研究，構(gòu)建了常見針刺手法的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言解析了針刺手法操作過程，實(shí)現(xiàn)了針刺手法的科學(xué)表征;揭示了基于神經(jīng)電信息的針刺手法部分作用規(guī)律;刻畫了針刺手法電信號(hào)的非線性動(dòng)力學(xué)特征，明確不同針刺手法誘發(fā)神經(jīng)電信息編碼存在差異，是針刺手法效應(yīng)差異的機(jī)制之一。研究成果為針刺手法的科學(xué)性奠定了提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)針刺手法的傳承、應(yīng)用和發(fā)展具有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 針刺手法;神經(jīng)電信號(hào);非線性動(dòng)力學(xué);針刺效應(yīng);數(shù)學(xué)模型

Abstract Acupuncture manipulation （MA） is a key factor to acupuncture effect. However， the effect regularity and mechanism of MA are not clear. Professor GUO Yi′s team in Research Center of Experimental Acupuncture Science of Tianjin University of traditional Chinese medicine and Professor WANG Jiang′s team of School of Electrical and Information Engineering of Tianjin University have carried out cooperative research on the manipulation effect regularity and neural electric information mechanism of MA for a long time. The mathematical model of commonly used MA was established to depict the operation process of MA with mathematical language， which realized scientific representation of acupuncture. Part of the regularity of MA based on neural electric information has been revealed. The nonlinear dynamic characteristics of electric signals evoked by MA was described， and the differences of neural electric information coding induced by various MA was confirmed， which is one of the mechanisms of MA with different effects. These research results provide experimental basis for the scientificity of MA and promote the inheritance， application and development of MA.

Keywords Acupuncture manipulation; Neural electrical information; Nonlinear dynamics; Acupuncture effect; Mathematical model

針灸是中醫(yī)學(xué)的重要組成部分，長(zhǎng)期的臨床實(shí)踐證明針刺可以治療多種疾病，療效確切。針刺手法是針灸瑰寶中的瑰寶，是影響臨床療效的關(guān)鍵因素。大量研究表明，應(yīng)用針刺手法可以提高針刺療效[1-2]。然而有調(diào)查顯示，針刺手法在臨床中經(jīng)常被應(yīng)用的僅占44.3%[3]，究其原因，主要是針刺手法作為技術(shù)操作，長(zhǎng)期以來缺乏客觀量化標(biāo)準(zhǔn)，后學(xué)者難以掌握，且針刺手法的作用規(guī)律及機(jī)制尚未闡明。因此開展針刺手法的客觀化研究，深入揭示針刺手法的作用規(guī)律、機(jī)制對(duì)于闡釋針刺手法的科學(xué)內(nèi)涵，提高針刺手法的應(yīng)用水平，促進(jìn)傳統(tǒng)手針的發(fā)展具有重要意義。

天津中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)針灸學(xué)研究中心郭義教授團(tuán)隊(duì)致力于傳統(tǒng)針刺手法的研究[4-8]，并與天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院王江教授團(tuán)隊(duì)、上海中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)工程研究所楊華元教授團(tuán)隊(duì)合作，系統(tǒng)開展了針刺手法的電信息規(guī)律研究，共同承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50537030）——針刺電信息傳導(dǎo)及其作用規(guī)律研究，之后又先后承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年基金、天津市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。研究成果獲得中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、上海市浦東新區(qū)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等。本文從針刺手法的科學(xué)表征、效應(yīng)規(guī)律及神經(jīng)電信息機(jī)制3個(gè)方面，總結(jié)我們的研究成果，以期與同道學(xué)者交流和討論，共同促進(jìn)針刺手法的研究、傳承和發(fā)展。

1 針刺手法的科學(xué)表征

針刺手法是在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來的操作技術(shù)，自古以來是以師傳或家族模式傳承，主要以語(yǔ)言及示范性傳授為主，缺乏客觀化與量化，后學(xué)者難以掌握，一定程度上影響了針刺手法的傳承與發(fā)展。近年來，許多專家研制了各種針刺手法參數(shù)儀，以客觀顯示針刺手法的操作波形[9]，本團(tuán)隊(duì)也在此基礎(chǔ)上開展了相關(guān)工作。我們使用楊華元教授團(tuán)隊(duì)研制的ATP-Ⅱ型針刺手法參數(shù)測(cè)定儀，記錄了46名具有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的針灸學(xué)專業(yè)教師或針灸臨床醫(yī)師的4種針刺基本補(bǔ)瀉手法（提插補(bǔ)法、提插瀉法、捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法、捻轉(zhuǎn)瀉法）的手法波形，提取其特征參數(shù)，見圖1，構(gòu)建針刺手法參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用高斯逼近及核回歸等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立了針刺手法數(shù)學(xué)模型，見圖2，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言客觀表征4種補(bǔ)瀉手法，突破了傳統(tǒng)的以手法操作形式來描述的方式，實(shí)現(xiàn)了針刺手法的數(shù)學(xué)語(yǔ)言表征[10]。見表1。這有利于深入了解針刺手法的操作內(nèi)涵，比較手法之間的差異，并指導(dǎo)學(xué)習(xí)和研究。

2 針刺手法的效應(yīng)規(guī)律

本團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了多模態(tài)、多尺度的不同針刺手法研究平臺(tái)，刻畫了針刺手法的時(shí)空效應(yīng)，證明了應(yīng)用手法對(duì)針刺效應(yīng)影響顯著，不同手法之間的針刺效應(yīng)存在差異。

對(duì)視疲勞患者選取睛明、攢竹、風(fēng)池、太陽(yáng)、印堂、陽(yáng)白、魚腰、四白、外關(guān)9個(gè)穴位，應(yīng)用傳統(tǒng)針刺手法進(jìn)行針刺，其中風(fēng)池施以透眼熱手法，印堂施以金鉤釣魚，攢竹、魚腰、陽(yáng)白施以喜鵲登梅，太陽(yáng)施以二龍戲珠，外關(guān)施以青龍擺尾，睛明、四白守氣不行手法，結(jié)果顯示，眼針方治療后眼周溫度較針前明顯升高。局部微循環(huán)血流效應(yīng)表明，采用不同針刺手法（提插補(bǔ)法、提插瀉法、捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法、捻轉(zhuǎn)瀉法及平補(bǔ)平瀉）針刺正常人體足三里穴，均可使穴區(qū)局部微循環(huán)血流升高，但各手法之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中提插補(bǔ)瀉法的效應(yīng)優(yōu)于捻轉(zhuǎn)補(bǔ)瀉法，且補(bǔ)法血流灌注量增加幅度優(yōu)于瀉法，提插補(bǔ)法引起的微循環(huán)血流升高最為明顯[11]。見圖3。

基于胃運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)規(guī)律表明，4種針刺手法（提插補(bǔ)法、提插瀉法、捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法、捻轉(zhuǎn)瀉法）均可使紅霉素所致的家兔實(shí)驗(yàn)性胃動(dòng)過速模型和去甲腎上腺素所致的實(shí)驗(yàn)性胃動(dòng)過緩模型的胃運(yùn)動(dòng)恢復(fù)到正常，且補(bǔ)法效應(yīng)有優(yōu)于瀉法效應(yīng)的趨勢(shì)[12-13]。此外，我們還分別觀察了不同頻率的捻轉(zhuǎn)以及提插手法（60次/min、120次/min、180次/min和240次/min）針刺阿托品致胃運(yùn)動(dòng)低下模型大鼠足三里穴對(duì)胃運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)效應(yīng)，其結(jié)果顯示，不同刺激頻率對(duì)胃運(yùn)動(dòng)均有一定的促恢復(fù)作用，但差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中低、中頻刺激的效應(yīng)優(yōu)于高頻刺激[14-15]。

基于鎮(zhèn)痛的研究以急性胃擴(kuò)張?jiān)斐蓛?nèi)臟痛模型，以胃擴(kuò)張引起脊髓背角WDR神經(jīng)元電信號(hào)增加作為疼痛評(píng)價(jià)指標(biāo)，用不同頻率的提插手法（30次/min、60次/min、120次/min和180次/min）刺激足三里穴，結(jié)果顯示中、高頻刺激對(duì)胃擴(kuò)張引起電信號(hào)有抑制作用，說明高頻刺激產(chǎn)生了鎮(zhèn)痛作用，而低頻刺激作用不明顯[16]。見圖4。此外，近期在CFA引起的大鼠炎性痛平臺(tái)中，我們也觀察到高頻手法的針刺鎮(zhèn)痛效應(yīng)優(yōu)于低頻手法，這說明對(duì)于急性痛，強(qiáng)刺激的鎮(zhèn)痛效應(yīng)更加明顯。如果以正常實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為研究對(duì)象觀察針刺手法的效應(yīng)差異，通常并不顯著，這說明了針刺手法的調(diào)節(jié)作用在疾病狀態(tài)下更為顯著。且不同疾病狀態(tài)，適宜刺激參數(shù)是不一樣，從現(xiàn)有的研究來看，功能低下狀態(tài)中、低頻刺激效果更優(yōu)，而對(duì)于急性痛癥，高頻刺激效果更好。

3 針刺手法的神經(jīng)電信息機(jī)制

神經(jīng)系統(tǒng)作為機(jī)體的快速響應(yīng)系統(tǒng)，與針刺信息的傳遞和針效的發(fā)揮密切相關(guān)。神經(jīng)元放電是神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞的重要方式。動(dòng)作電位以不衰減的方式長(zhǎng)距離傳播，使神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)生物電信息的長(zhǎng)距離傳播。在神經(jīng)纖維上傳播的動(dòng)作電位序列中的每個(gè)脈沖是基本相同的，所傳播的信息就編碼在動(dòng)作電位序列（包含放電的頻率和時(shí)間模式）的各種放電節(jié)律中。在早期研究中，由于缺乏必要的手段和方法，往往認(rèn)為放電節(jié)律中非周期的、不規(guī)則的電活動(dòng)行為是由于神經(jīng)元的內(nèi)部和外部噪聲引起的，從而不予以重視，許多信息未能得到充分挖掘與提取。隨著非線性動(dòng)力學(xué)的現(xiàn)代理論和方法在生物學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，為分析復(fù)雜的生物信號(hào)提供了有效的方法和手段。這就使得對(duì)以往實(shí)驗(yàn)中觀察到的貌似隨機(jī)的、非周期的、不規(guī)則的電活動(dòng)的生物電信號(hào)有了全新的理解與認(rèn)識(shí)。神經(jīng)系統(tǒng)電活動(dòng)的非線性特性賦予了神經(jīng)系統(tǒng)在感覺、信息的傳導(dǎo)、反射控制、運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)、判斷等等功能方面許多生物特性[17]。

針刺是一種物理性刺激，激活神經(jīng)末梢產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)動(dòng)作電位，即針刺電信號(hào)，沿著一定的外周和中樞途徑，傳遞到腦的高級(jí)部位，形成針感。這種電信號(hào)以時(shí)間/頻率序列組合的編碼形式發(fā)揮著對(duì)機(jī)體功能活動(dòng)的整合與調(diào)控作用[18]?；谶@一思路，我們開展了針刺手法的神經(jīng)電信息機(jī)制研究。首先，明確了針刺足三里穴對(duì)胃功能調(diào)節(jié)的神經(jīng)傳導(dǎo)通路，然后應(yīng)用不同針刺手法/頻率刺激足三里穴，記錄該神經(jīng)傳導(dǎo)通路上相關(guān)節(jié)點(diǎn)（背根神經(jīng)、脊髓背角、迷走神經(jīng)復(fù)核體、丘腦腹后外側(cè)核）的電信號(hào)以及EEG信號(hào)，見圖5，將混沌、分岔、信息熵、頻譜分析、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等非線性分析方法引入針刺電信號(hào)的分析中，從電信息角度揭示針刺手法作用規(guī)律和機(jī)制。

3.1 針刺手法誘發(fā)的神經(jīng)電信號(hào)具有混沌特性 利用關(guān)聯(lián)維數(shù)、Lyapunov指數(shù)和Lempel-Ziv復(fù)雜度等非線性時(shí)間序列的分析方法度量不同針刺手法作用下的神經(jīng)電信號(hào)復(fù)雜程度，證明了針刺神經(jīng)電信號(hào)是具有典型非線性特征的混沌信號(hào)[24]。見圖6。這排除了電信號(hào)的隨機(jī)性，用非線性動(dòng)力學(xué)的概念和術(shù)語(yǔ)描述和歸納其電信號(hào)的放電節(jié)律形式是適用的。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，隨著刺激頻率的增高，針刺引起的神經(jīng)信號(hào)復(fù)雜度也逐漸增高;比較捻轉(zhuǎn)法和提插法顯示，在相同刺激頻率下，提插法引起放電頻率更高，電信號(hào)的復(fù)雜度也更高[19-23]，這提示了在相同刺激頻率下，提插法對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的效應(yīng)可能更顯著，這與穴區(qū)局部微循環(huán)的研究結(jié)果相呼應(yīng)。

3.2 不同手法誘發(fā)的神經(jīng)電信號(hào)存在差異 應(yīng)用小波熵對(duì)針刺電信號(hào)的特征進(jìn)行提取與分類，結(jié)合單位時(shí)間窗放電頻率分析，顯示出不同針刺手法神經(jīng)電信號(hào)的差異[25]。見圖7?；诰幋a統(tǒng)計(jì)量和非線性測(cè)度等量化指標(biāo)如混沌吸引子、復(fù)雜度等，對(duì)不同頻率針刺手法的電信號(hào)進(jìn)行分析，也證明了不同針刺手法、不同針刺頻率誘發(fā)的針刺神經(jīng)電信號(hào)存在差異，且在脊髓背根神經(jīng)、背角神經(jīng)元、丘腦腹后外側(cè)不同神經(jīng)水平都顯示出了差異[12-16]，這可能是針刺手法效應(yīng)差異的機(jī)制之一?；诰W(wǎng)絡(luò)模型的研究，發(fā)現(xiàn)不同手法所對(duì)應(yīng)的時(shí)空編碼形式存在本質(zhì)的差別，尤其是捻轉(zhuǎn)法與提插法的編碼形式差異較大，這種采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)映射的方法分析針刺神經(jīng)電信號(hào)的方法，證明了捻轉(zhuǎn)法和提插法2種針刺手法的內(nèi)在特征是不同的。這種差異性體現(xiàn)在神經(jīng)元對(duì)特定針刺手法的選擇性，但對(duì)同一手法不同頻率的針刺作用，這種編碼選擇性并不明顯[26]。

3.3 針刺手法誘發(fā)的神經(jīng)電信號(hào)存在飽和性 基于胃擴(kuò)張狀態(tài)下不同針刺頻率誘發(fā)的脊髓背角WDR（Wide Dynamic Range，WDR）神經(jīng)元的研究顯示，120與180次/min均勻提插手法的差異很小，尤其是兩者間放電頻率非常接近，這說明當(dāng)針刺頻率超過120次/min時(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于不同頻率針刺手法刺激可能存在飽和性[10]。在另一項(xiàng)基于脊髓背根神經(jīng)電信號(hào)研究也呈現(xiàn)出類似結(jié)果，當(dāng)針刺頻率超過100次/min時(shí)，平均放電率不再明顯增加，顯示出神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)不同頻率的針刺刺激具有飽和特性[27]。這提示當(dāng)針刺超過一定頻率后，針刺效應(yīng)可能趨于相似，飽和效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制是什么，是否在高級(jí)中樞也存在，我們尚需再進(jìn)一步明確。

3.4 針刺手法促使腦功能網(wǎng)絡(luò)間信息交流增加 應(yīng)用利用關(guān)聯(lián)維數(shù)和基于遞歸圖的確定性指標(biāo)分析不同針刺手法的EEG信號(hào)，發(fā)現(xiàn)針刺可使大腦電活動(dòng)復(fù)雜化;采用互信息復(fù)雜度和Granger因果性分析法，研究了不同針刺手法的各導(dǎo)EEG之間的信息傳輸，發(fā)現(xiàn)針刺會(huì)促使各導(dǎo)EEG之間的信息交流，且在100次/min及以上的針刺手法作用下EEG交流最為活躍，如圖8所示，關(guān)聯(lián)維數(shù)越高表明腦電網(wǎng)絡(luò)信息交流的復(fù)雜性越高[28-29]。對(duì)EEG信號(hào)建立針刺不同階段的腦功能網(wǎng)絡(luò)，將腦部作為一個(gè)整體來研究，首次發(fā)現(xiàn)針刺時(shí)人腦的小世界網(wǎng)絡(luò)特性加強(qiáng)，說明針刺對(duì)腦部有正性調(diào)節(jié)作用[30-31]。

3.5 揭示了針刺手法誘發(fā)神經(jīng)放電的起始動(dòng)力學(xué)機(jī)制 從不同針刺頻率誘發(fā)的脊髓背角、脊髓背根神經(jīng)的放電序列中提取動(dòng)作電位，從放電波形中得到了閾值電壓、上升期最大上升速率等針刺引起的神經(jīng)電信號(hào)起始動(dòng)態(tài)參數(shù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法獲得這些參數(shù)之間的相互關(guān)系，揭示了針刺引起神經(jīng)元的起始動(dòng)態(tài)特性及編碼規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同針刺頻率誘發(fā)的脊髓背角神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏拈撝惦妷号c最大上升速率具有特定負(fù)相關(guān)關(guān)系[32-34]。在脊髓背角，不同針刺頻率不改變效應(yīng)的神經(jīng)元個(gè)數(shù)，而是通過影響動(dòng)作電位最大峰值來進(jìn)行編碼，而對(duì)于脊髓背根神經(jīng)而言，不同針刺手法是通過改變神經(jīng)元個(gè)數(shù)來進(jìn)行編碼的，說明不同神經(jīng)節(jié)段，神經(jīng)元對(duì)針刺的編碼方式不同。通過數(shù)據(jù)分析證明了不同手法引起的神經(jīng)元起始動(dòng)力學(xué)有明顯的差異，從而導(dǎo)致不同手法有不同的作用效果。

4 小結(jié)

通過我們的研究工作，首次以數(shù)學(xué)的方法研究針刺手法的客觀量化，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，以科學(xué)語(yǔ)言詮釋了針刺手法的施針過程，為針刺手法客觀化、量化研究提供了新的思路。在應(yīng)用前景上，將針刺手法的數(shù)學(xué)模型與針刺手法參數(shù)測(cè)定儀結(jié)合，在手法波形可視化基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)量化數(shù)值，智能比較不同針刺手法、不同操作者手法之間的差異，并提出手法的學(xué)習(xí)、改進(jìn)策略，這相較與當(dāng)前理論式的口授，將大大提高對(duì)針刺手法的學(xué)習(xí)和掌握，對(duì)于針刺手法的傳承、科學(xué)研究及臨床應(yīng)用也將發(fā)揮促進(jìn)作用。

在針刺手法的效應(yīng)研究中，通過多模態(tài)、多平臺(tái)明確了不同針刺手法的效應(yīng)特點(diǎn)，揭示了針刺手法的部分作用規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)不同針刺手法的效應(yīng)及疾病狀態(tài)密切相關(guān)，基于疾病狀態(tài)探討不同針刺手法的效應(yīng)規(guī)律，尋找最適宜的針刺手法或者參數(shù)，對(duì)于指導(dǎo)臨床應(yīng)用，提高臨床療效具有重要意義。

在神經(jīng)電信息的針刺手法的作用規(guī)律與機(jī)制的研究中，我們首次證明了針刺手法引起的神經(jīng)電信號(hào)具有混沌特性，不同手法的混沌吸引子不同，并闡釋了其動(dòng)力學(xué)特征，明確了不同針刺手法誘發(fā)神經(jīng)電信息編碼存在差異，這可能是不同針刺手法效應(yīng)差異的機(jī)制之一，同時(shí)也探討了針刺誘發(fā)神經(jīng)放電的相關(guān)機(jī)制，這為從神經(jīng)系統(tǒng)角度研究針刺作用原理提供了新的思路。

從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，仍有一些問題我們尚不能解釋，例如在神經(jīng)通路的不同節(jié)點(diǎn)，針刺手法電信號(hào)有著不一樣的變化規(guī)律，這可能與神經(jīng)元內(nèi)在興奮性相關(guān)，或者與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相互作用有關(guān)。因此，進(jìn)一步鑒定對(duì)針刺有響應(yīng)的神經(jīng)元類別、探究信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式及過程，明確不同針刺手法/頻率對(duì)神經(jīng)元影響的差異，以及對(duì)效應(yīng)指標(biāo)的影響，都將是我們今后研究的內(nèi)容。這些研究將有助于揭示手針作用原理，闡釋針刺手法效應(yīng)差異的科學(xué)機(jī)制。

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