功能性近紅外光譜術(shù)在針刺研究中的應(yīng)用

李 玲 馬 婕 宋思敏 李 姝 宋慧君 李巖琪 郭 義,2 劉陽(yáng)陽(yáng),3

(1 天津中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)針灸學(xué)研究中心,天津,301617; 2 天津中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)學(xué)院,天津,301617; 3 天津中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院,天津,301617)

針刺治療具有適應(yīng)證廣、療效顯著、應(yīng)用簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)安全等特點(diǎn)。然而,針刺療法的作用機(jī)制尚不完全清楚,這一定程度上限制了針刺的應(yīng)用與發(fā)展。針刺時(shí)受試者會(huì)感受到酸、麻、重、脹等得氣感,這些感覺(jué)必須上傳至大腦才可以被感知,同時(shí)針刺對(duì)機(jī)體的調(diào)節(jié)作用也需要通過(guò)大腦的整合調(diào)控才得以發(fā)揮[1-2],因此研究針刺對(duì)腦功能的影響有助于揭示針刺的作用機(jī)制和規(guī)律。神經(jīng)影像學(xué)是借助影像學(xué)方法研究大腦的結(jié)構(gòu)和功能,從而探究大腦認(rèn)知、信息處理以及病理變化等機(jī)制,神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)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(yīng)用這些技術(shù),其中fNIRS逐漸成為針刺研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。fNIRS是根據(jù)不同的血氧含量產(chǎn)生近紅外光信號(hào)差異而成像的動(dòng)態(tài)可視化技術(shù),該技術(shù)可在人體上無(wú)創(chuàng)、可視化地研究腦功能活動(dòng)[3]。本文檢索近年有關(guān)應(yīng)用fNIRS于針刺研究中的文獻(xiàn),并進(jìn)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(dòng)中神經(jīng)元的電活動(dòng)需要耗氧耗能,當(dāng)皮層局部功能活動(dòng)增強(qiáng)時(shí),皮層局部血流量和血氧供應(yīng)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(yīng)量往往超過(guò)神經(jīng)元的實(shí)際耗氧量,從而導(dǎo)致該皮層區(qū)域中氧合血紅蛋白(Oxygenated Hemoglobin,Oxy-Hb)含量相對(duì)升高,而去氧血紅蛋白(Deoxygenated Hemoglobin,Deoxy-Hb)含量相對(duì)降低[4]。皮層局部的血流量增加是神經(jīng)元對(duì)刺激反應(yīng)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(guò)測(cè)量Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量變化評(píng)估被測(cè)腦區(qū)神經(jīng)元的激活程度。血液血紅蛋白對(duì)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(zhǎng)的近紅外光,一種波長(zhǎng)是Oxy-Hb的等吸收點(diǎn),另一種波長(zhǎng)是Deoxy-Hb的等吸收點(diǎn),這2種近紅外光可分別探測(cè)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(cè)的比爾-朗伯定律,Oxy-Hb和Deoxy-Hb的近紅外光信號(hào)強(qiáng)度與其血紅蛋白含量正相關(guān)[6],即光信號(hào)越強(qiáng),對(duì)應(yīng)的Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量越高,因此可利用近紅外光信號(hào)強(qiáng)度的變化反映大腦皮質(zhì)Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量變化,從而評(píng)估皮層神經(jīng)元的功能狀態(tài)。在fNIRS的具體應(yīng)用中,通常先以無(wú)刺激狀態(tài)或有控制的刺激狀態(tài)的近紅外光信號(hào)強(qiáng)度作為基線,將刺激時(shí)呈現(xiàn)的近紅外光信號(hào)強(qiáng)度與基線相比較,再運(yùn)用數(shù)學(xué)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(dòng)導(dǎo)致的局部血流動(dòng)力學(xué)變化,由此獲得大腦皮質(zhì)的神經(jīng)活動(dòng)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(yīng)用

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

2.1 針刺對(duì)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(duì)腦功能的影響多圍繞這一穴位開展。韓雅迪等[8]應(yīng)用fNIRS研究了針刺合谷穴對(duì)腦功能的影響,研究人員將健康受試者隨機(jī)分為針刺組和對(duì)照組,針刺組給予右側(cè)合谷的針刺干預(yù),對(duì)照組不接受任何干預(yù),實(shí)時(shí)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(duì)照組顯著升高,說(shuō)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(duì)11名健康受試者進(jìn)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(jìn)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(guò)程中應(yīng)用24通道fNIRS檢測(cè)儀檢測(cè)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(jìn)針和捻針時(shí)Oxy-Hb都會(huì)出現(xiàn)一定程度的升高,得氣時(shí)曲線達(dá)到最高峰,進(jìn)一步應(yīng)用小波相干性分析各通道Oxy-Hb信號(hào)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(hào)在低頻段(0.08～0.15 Hz)和極低頻段(0.01～0.08 Hz)有著強(qiáng)相關(guān)性(這2個(gè)頻段被認(rèn)為與神經(jīng)元活動(dòng)相關(guān),且不受呼吸和心率等生理功能影響),說(shuō)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(yīng)。SI等[10]對(duì)20名健康受試者針刺右側(cè)合谷穴,應(yīng)用fNIRS比較了針刺得氣與不得氣時(shí)雙側(cè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)的Oxy-Hb含量顯著下降,并且可以增強(qiáng)雙側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)和運(yùn)動(dòng)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(shí)的腦功能狀態(tài)。

2.2 針刺對(duì)疾病狀態(tài)腦功能的影響

2.2.1 針刺對(duì)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(jiàn)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(duì)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(yán)重程度與前額葉激活程度負(fù)相關(guān)[12-14]。項(xiàng)相印[15]發(fā)現(xiàn),針刺可以改善GAD患者的擔(dān)憂、思慮等精神性癥狀以及肌肉震顫、心悸等軀體性癥狀;進(jìn)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(shí)響應(yīng)特征,認(rèn)為針刺對(duì)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(yīng)明顯,因針刺療法具有安全無(wú)不良反應(yīng)的特點(diǎn),使得越來(lái)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(duì)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(huì)、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(yù)方式療效相當(dāng)。同時(shí),應(yīng)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(yīng)用fNIRS對(duì)比了健康受試者和抑郁癥患者在接受針刺時(shí)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(wú)明顯響應(yīng),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(jī)體狀態(tài)相關(guān)。

2.2.2 針刺對(duì)認(rèn)知障礙患者腦功能的影響 輕度認(rèn)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(guò)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(duì)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(jìn)行對(duì)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(rèn)知評(píng)估量表(Montreal Cognitive Assessment,MoCA)分?jǐn)?shù)大于針刺前,說(shuō)明針刺改善了MCI患者的認(rèn)知功能,在持續(xù)12周的針刺治療中,MCI患者的量表評(píng)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(rèn)知能力可能與前額葉皮層功能活動(dòng)的改善相關(guān)。

卒中后認(rèn)知障礙(Post-stroke Cognitive Impairment,PSCI)指腦卒中發(fā)生后6個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)的認(rèn)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(jī)分為對(duì)照組和觀察組,對(duì)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(duì)照組相比,藥物加頭針治療能顯著改善認(rèn)知功能,進(jìn)一步運(yùn)用fNIRS對(duì)患者大腦前額葉皮質(zhì)和頂葉運(yùn)動(dòng)區(qū)功能進(jìn)行檢測(cè),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(rèn)為頭針通過(guò)提高PSCI患者前額葉皮層和運(yùn)動(dòng)皮層的血紅蛋白水平,改善認(rèn)知功能及相關(guān)腦功能活動(dòng)。

2.2.3 針刺對(duì)創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙腦功能的影響 創(chuàng)傷后應(yīng)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(yīng)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(xì)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(lái),針刺治療PTSD得到醫(yī)學(xué)界的廣泛認(rèn)可,且研究表明針刺可以有效改善PTSD[27]。張彥峰等[28]應(yīng)用fNIRS探討了針刺治療PTSD的腦功能機(jī)制,以PTSD模型大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,采用針刺百會(huì)、神門、內(nèi)關(guān)和太沖進(jìn)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(rèn)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?dòng),穩(wěn)定細(xì)胞能量代謝的需求,恢復(fù)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(duì)弱視腦功能的影響 弱視是臨床眼科中的常見(jiàn)病和多發(fā)病,研究表明針刺對(duì)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(jī)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(duì)比了針刺和左旋多巴甲酯治療弱視的療效,并應(yīng)用fNIRS檢測(cè)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(jué)誘發(fā)電位潛伏期延長(zhǎng)和振幅降低現(xiàn)象,同時(shí)發(fā)現(xiàn)造模后弱視眼的視覺(jué)皮層眼優(yōu)勢(shì)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(shuō)明針刺和藥物可以調(diào)節(jié)弱視視覺(jué)皮層關(guān)鍵區(qū)域的異常功能,從而調(diào)整視覺(jué)電生理可塑性變化,改善弱視。

3 討論

fNIRS在針刺研究中的應(yīng)用尚處于初期階段,目前的研究多集中在針刺對(duì)腦功能障礙相關(guān)疾病的機(jī)制探討上,如焦慮、抑郁、MCI、PTSD等,研究方向比較局限。fNIRS檢測(cè)的是大腦皮質(zhì)的血氧代謝狀態(tài),大腦皮質(zhì)是最高級(jí)中樞,參與了機(jī)體許多功能的調(diào)節(jié),包括感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、情緒、學(xué)習(xí)、記憶以及內(nèi)臟功能,也是視覺(jué)中樞所在區(qū)域。在經(jīng)絡(luò)研究中有學(xué)者曾提出了“經(jīng)絡(luò)-皮層-內(nèi)臟相關(guān)”的假說(shuō)[32],認(rèn)為經(jīng)絡(luò)現(xiàn)象與大腦感知和臟腑學(xué)說(shuō)密切相關(guān),針刺的得氣感必須經(jīng)過(guò)大腦皮質(zhì)反應(yīng)才能被感知[33]。由此可見(jiàn),fNIRS在針刺研究中的應(yīng)用還可進(jìn)一步拓寬,包括針刺對(duì)高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)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(shì),有助于揭示更多針刺理論的科學(xué)基礎(chǔ)和針刺效應(yīng)的科學(xué)原理。

從針刺fNIRS研究關(guān)注的腦區(qū)來(lái)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(jí)腦功能,包括記憶、注意力、情感、決策,也參與對(duì)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(duì)信號(hào)的分析中,還可進(jìn)一步分析前額葉皮質(zhì)各亞區(qū)的血氧代謝活動(dòng)。例如,在兒童大腦右側(cè)的背外側(cè)前額葉區(qū),多動(dòng)癥患兒的fNIRS信號(hào)復(fù)雜度明顯高于健康對(duì)照兒童,研究者認(rèn)為fNIRS信號(hào)這一特征可作為一種識(shí)別多動(dòng)癥兒童的潛在生物標(biāo)記[36]。此研究若將前額葉作為一個(gè)整體進(jìn)行分析,局部的特異性變化可能并不顯著。因此,細(xì)化腦區(qū)的信號(hào)分析更有利于挖掘出與研究問(wèn)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(jué)信息,顳葉處理聽覺(jué)、語(yǔ)言和記憶信息,枕葉處理視覺(jué)信息等,可根據(jù)不同研究目的,選擇相應(yīng)的皮層區(qū)域開展基于fNIRS的針刺研究。

對(duì)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(dǎo)入MATLAB軟件,進(jìn)行濾波降噪(濾除數(shù)據(jù)中的呼吸、心率、血壓波動(dòng)等正常生理活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲干擾)后將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為血氧含量的相對(duì)變化量,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。這些方法屬于線性分析,具有簡(jiǎn)單、直接,所得結(jié)論易統(tǒng)一的特點(diǎn)。然而,大腦是一個(gè)非線性、非平穩(wěn)的,且由大量神經(jīng)元群相互連接的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)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(yīng)用于fMRI和EEG的數(shù)據(jù)分析中,包括熵分析、小波分析和復(fù)雜度分析等[38]。對(duì)于fNIRS數(shù)據(jù),同樣具有非線性的特征,并且在實(shí)際應(yīng)用中還具有多變量(多通道)的特點(diǎn),因此在數(shù)據(jù)分析時(shí),采用一些非線性的分析方法,有助于更深入地揭示針刺對(duì)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(gè)通道之間的時(shí)間相關(guān)性,但目前在針刺研究中應(yīng)用得還是比較少,之后可對(duì)腦功能連接多做一些分析,以探索針刺對(duì)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(jiǎn)單易用、費(fèi)用較低、非侵入性的優(yōu)點(diǎn),以及具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率,在腦神經(jīng)作用機(jī)制研究方面得到了廣泛應(yīng)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(hào)數(shù)據(jù)的分析方法也相對(duì)比較簡(jiǎn)單,這些都有待進(jìn)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(xué)中有比較成熟的研究范式,在針刺研究中,一些學(xué)者會(huì)直接借鑒,但直接借鑒不一定符合針刺作用特點(diǎn),例如單一任務(wù)的重復(fù)執(zhí)行模式,這可能就不太適合針刺研究,因?yàn)獒槾痰挠袆?chuàng)刺激容易產(chǎn)生遺留感,且會(huì)對(duì)受試者的心理預(yù)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(diǎn)的fNIRS研究范式。再者,fNIRS信號(hào)易受個(gè)人因素的干擾,如眨眼、運(yùn)動(dòng)、情緒變化等,因此在實(shí)驗(yàn)中也應(yīng)減少這些因素對(duì)信號(hào)的干擾,例如可囑咐受試者閉眼、放空思緒、勿動(dòng)等。以上這些需要我們?cè)谂R床研究實(shí)踐中不斷探索,積累經(jīng)驗(yàn),形成規(guī)范。希冀有更多的學(xué)者參與到基于fNIRS的研究中來(lái),為針刺研究探索更多、更規(guī)范的研究方法,以促進(jìn)針刺研究的發(fā)展,揭示針刺的科學(xué)原理。

利益沖突聲明:無(wú)。