利用fMRI监测针灸对人脑的影响

摘要

采用功能性磁共振成像（fMRI）和生理监测来研究针灸对中枢神经系统和周围神经系统的影响。针灸激活了边缘-旁边缘-新皮层网络，该网络与默认模式网络高度重叠，从而调节神经活动，这种作用可能与其在周围神经系统中的自主神经效应相关。

摘要

功能磁共振成像用于研究针灸对人脑BOLD反应及功能连接的影响。结果表明，针灸在脑的多个层面激活了边缘-旁边缘-新皮层网络，并同时影响其与感觉运动/旁边缘网络的负相关关系，且血流动力学反应受到心理物理学反应的影响。可通过生理监测探索自主神经功能的外周反应。本视频介绍了在LI4（合谷）、ST36（足三里）和LV3（taichong）三个经典穴位开展的研究，这些穴位常用于调节机体功能和缓解疼痛。文中还指出了在针灸研究中应用fMRI时需注意的一些问题。 关键词：功能磁共振成像，针灸，BOLD反应，功能连接，自主神经功能，LI4，ST36，LV3，合谷，足三里，taichong

方案

第一部分：知情同意与受试者准备

根据机构审查委员会批准的程序招募健康的成年志愿者参与本研究。受试者在开始研究前需签署知情同意书。

第2部分：设置生理监测设备

AD Instruments PowerLab 系统可通过记录在输入通道上的 fMRI 触发信号，实现生理数据与 fMRI 扫描的同步。该系统基于笔记本电脑，具备用于心电图（ECG）、呼吸、皮肤电导反应、脉搏血氧饱和度以及任何其他需要记录的生理信号的输入接口。

1. 若使用呼吸带系统，则换能器必须插入扫描仪旁边房间的电源插座，通过进线口将通向呼吸带的导管引入扫描室，并使用 BNC 连接器连接至扫描控制室的 PowerLab。
2. 若使用触发信号以同步生理数据与 fMRI 数据，则还需使用 BNC 电缆将 MRI 扫描仪的触发信号连接至扫描控制室的 PowerLab。
3. 准备监测设备。需要四个 ECG 电极，以及一条连接至 MR 兼容的 In Vivo 系统推车的 ECG 电缆。
4. 若测量皮肤电导，则需将皮肤电导连接器插入扫描室的接线盒中，并在扫描室准备好皮肤电导凝胶。

第3部分：准备受试者进行磁共振扫描

1. 在扫描当天，必须排除受试者过度的焦虑和疲劳，因为基本生理状态可能影响大脑对针灸刺激的反应。建议受试者在检查前进食清淡饮食，以避免虚弱或不良反应。
2. 指导受试者仰卧于扫描仪内，佩戴耳塞以降低扫描噪声，并使用软垫固定头部。由于针灸刺激扫描的信噪比较常见运动或视觉任务更低，数据更容易受到头部运动的干扰。在膝下放置支撑物，使足跟离开担架表面，以减少身体移动。固定头部线圈并调整垫子以确保舒适。对于平均持续2小时的扫描过程，舒适性对实现无中断扫描至关重要。
3. 如需进行生理监测，应在将受试者送入扫描仪前，按照前一节所述进行准备。若条件允许，建议在扫描过程中通过眼动追踪监测受试者的清醒状态。
4. 将4个心电图（ECG）电极贴于受试者左上胸部（对于女性受试者，应采取隐私保护措施，例如关闭控制室观察窗的百叶窗并关上扫描仪门）。将电缆连接至电极和In Vivo设备。出于安全考虑，该电缆及所有通向受试者的电缆应沿扫描床直接布线，不得形成任何回路。打开In Vivo设备并检查心电图信号质量，必要时调整电极位置。
5. 用导电凝胶填充皮肤电反应（SCR）电极的电极孔。这种专用SCR凝胶应与皮肤等渗。在Chart软件中执行开路归零操作。将SCR电极通过魔术贴固定于受试者手部两个相邻的远端指腹，松紧以舒适为宜。

第4部分：专为针灸刺激成像定制的功能性磁共振成像序列。

1. 我们使用配备标准四通道头部线圈的 1.5 或 3.0 特斯拉 Siemens Trio MRI 系统（Siemens，Erlangen，德国），该系统具备平面回波成像功能。
2. 我们多年来的研究一致表明，针灸对大脑多个层面的功能系统具有广泛作用。位于脑底部的结构，如杏仁核、海马、腹内侧前额叶皮层和扣带下区，特别容易受到磁敏感伪影的影响。检查每一次 EPI 功能扫描至关重要，以排除这些区域的信号丢失；我们发现，即使使用相同磁场强度和相似 MRI 序列进行数据采集的两种 Siemens 扫描仪模型之间，其信号丢失程度也存在差异。
3. 较薄的脑部切片有助于减少磁敏感伪影。采用矢状位或轴向位 3 mm 厚、间隔 0.6 mm 或 0.75 mm 的切片，可根据成像系统的内存容量覆盖整个脑部，包括脑干和小脑。对于部分脑成像，可采用其他方向和切片厚度。我们对这些问题的特别关注，有助于更一致地发现针灸对脑底部结构的作用。
4. 功能扫描采用 T2* 加权梯度回波序列（TR/TE 4000/30 ms，FOV 200 mm，矩阵 64×64，翻转角 90°，层厚 3.0 mm，间隔 0.6 mm）。我们在 10 分钟内共采集了 150 个时间点。图像采集前进行 4 次伪扫描，以使 fMRI 信号达到平衡状态。较短的 TE 可减少磁敏感伪影，相对较长的 TR 可实现高空间分辨率的全脑覆盖。

第5部分：初始定位像与解剖扫描

1. 在进行针灸功能扫描之前，需先采集定位像、高分辨率解剖像以及T1加权3D MP-RAGE图像，以确保扫描位置正确且解剖结构完整。在此阶段进行一般性观察，可确保避免进行不必要的扫描。定位像扫描时间极短，用于确认整个大脑均包含在扫描范围内，并可用于与AC-PC线对齐。若发现任何可疑异常，研究人员应将图像送交经过培训的放射科医师进行评估，但不得向受试者说明扫描结果中的任何发现。
2. 初始扫描总共耗时约20分钟。通过快速查看图像，研究人员可判断是否值得继续后续扫描。此时适宜与受试者交流，确认其仍感舒适，且未因处于磁体环境中而出现任何不良反应。

第6部分：结合fMRI监测的针灸

在两种治疗方式（手动针刺操作和电刺激）中，本视频仅限于介绍临床应用历史更悠久的手动针灸。针灸刺激以重复两次的方式施加于手部的传统穴位合谷（LI4）、足部的太冲穴（LV3）或腿部的足三里穴（ST36），使用无菌、一次性针灸针。

1. 指导受试者在扫描期间保持放松，闭上眼睛，并避免任何身体动作。为避免有害刺激，我们特别指示受试者：若针刺感觉评分接近8分时，举起一根手指；若出现任何程度的锐痛，则举起两根手指。
2. 进针后，预先测试受试者对针具操作的敏感性和耐受性，以帮助确定数据采集时的进针深度和操作力度。
3. 在10分钟的功能成像过程中，针具在M1和M2阶段各旋转2分钟，在其余时间段R1（2分钟）、R2（3分钟）、R3（1分钟）保持留针。针灸师需确保不在刺激期前后直接靠近或离开受试者，因为即使轻微移动也可能影响实验结果。（实验范式见图1）
   
   图 1. 针灸fMRI实验范式。
4. 针灸刺激结束后，针灸师记录针具抵抗操作的力度。每次扫描结束时，另一名现场研究人员要求受试者根据1-10分的量表对所经历的感觉进行评分。该评分项目包括酸、胀、压、满、重、麻、刺、钝痛、锐痛，其设定基于针灸师群体的经验及既往实验数据，而非文献中的常规疼痛问卷。根据这些记录，心理物理学反应被分为典型的得气组和另一类得气伴锐痛组。
5. 在扫描间隙与受试者交流，确保其感觉舒适并保持清醒。若其身体任何部位出现抽筋或不适，现场研究人员应采取适当措施缓解不适。受试者产生的动作会导致数据失真。少数受试者可能在扫描过程中入睡，这将影响血流动力学反应。

第7部分：数据处理

1. 可进行多层次分析。一般线性模型以静息期作为基线，计算任务期间大脑每个体素的血氧水平依赖（BOLD）磁共振信号变化百分比。同时确定这些变化的统计学显著性，并剔除未达到特定 p 值下连续三个体素的 BOLD 数据。
2. 进行基于种子点的交叉相关分析，以显示某一神经区域与大脑其他区域之间的功能连接性。该分析通过选择一个参考区域，并将其时间进程与大脑中其他每个体素的时间进程进行比较来实现。此外，还可应用独立成分分析、模糊聚类分析、结构方程建模、格兰杰因果分析等其他分析方法。
3. 可通过在与针刺刺激相关的时间窗内对生理信号进行平均来分析生理数据。例如，可对心电图（ECG）数据标注 QRS 波群的时间点，进而分析心率及心率变异性。

第8部分：结果

图2. 针灸中的血流动力学反应 得气与 在右侧合谷（LI4）、足三里（ST36）和太冲（LV3）进行触觉刺激（52次扫描/37名受试者）。在针刺（图A）中，内侧前额叶皮层（MPFC）（1）、内侧顶叶皮层（MPC）（2）和内侧颞叶（MTL）（3）失活脑区的簇集较触觉刺激（图B）更为显著。针刺引起右侧BA22/21（4）广泛失活，而触觉刺激未见此现象。触觉刺激较针刺在感觉运动区BA43（5）和联合皮层（6）显示出更强的激活（未显示）。有趣的是，右侧前岛叶（7）仅在针刺中被激活，而在触觉刺激中未被激活。（p<0.0001).

图3. 血流动力学反应在 得气 （52次运行/37名受试者）与 得气 在右侧合谷（LI4）、足三里（ST36）和太冲（LV3）进行针刺刺激时伴有锐痛（52次实验/29名受试者），当无得气感而仅存在疼痛时，内侧前额叶皮层（MPFC，1）、内侧后皮层（MPC，2）和内侧颞叶（MTL，3）显著失活（图A）；而在疼痛存在的情况下，这种失活效应减弱（图B）。伴随疼痛出现时，感觉运动皮层和联合皮层（4）的激活更为显著，部分边缘系统及旁边缘区域如中扣带回/辅助运动区（midC/SMA，5）、后扣带回_BA23区（postC_BA23，6）、杏仁核（Amy，7）以及小脑蚓部（8）被激活。右侧前岛叶（9）表现出明显激活。 得气 而疼痛时双侧前部和后部岛叶（10）较小区域被激活。<0.0001.

图4. 针刺过程中边缘-旁边缘-新皮层网络（LPNN）与默认模式网络（DMN）的重叠；在LI4、ST36和LV3穴位进行针刺刺激时，通过GLM分析（图A）和无模型模糊聚类分析（图B）得到的LPNN的BOLD反应，显示出与DMN（图C，改编自Shulman等，1997）几乎一致的模式。信号一致性下降的脑区聚类出现在内侧前额叶皮层（1）、后内侧皮层（2）和颞叶（3）。p<0.0001。

讨论

采用适当的技术、针灸医师的经验以及大样本量以排除意外有害刺激的混杂效应，对于针灸fMRI数据的获取与解读至关重要。我们对多个经典穴位的研究表明，针灸能够调节边缘网络，该网络是人脑重要的内在调控系统。该网络与静息态大脑的默认模式存在显著重叠。这些相关的自主神经功能变化可通过生理监测得以证实。