Monitorowanie wpływu akupunktury na ludzki mózg za pomocą fMRI

Podsumowanie

fMRI i monitorowanie fizjologiczne są wykorzystywane do badania wpływu akupunktury na centralny i obwodowy układ nerwowy. Akupunktura aktywuje sieć limbiczno-paralimbiczno-neokortykalną, wykazując duży stopień nakładania się na sieć stanu spoczynkowego (default mode network), aby modulować aktywność neurologiczną, co może być powiązane z jej efektem autonomicznym w obwodowym układzie nerwowym.

Streszczenie

Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) jest wykorzystywany do badania wpływu akupunktury na odpowiedź BOLD oraz łączność funkcjonalną ludzkiego mózgu. Wyniki wykazują, że akupunktura mobilizuje sieć limbiczno-paralimbiczno-neokortykalną oraz skorelowaną z nią ujemnie sieć sensorimotoryczno-paralimbiczną na wielu poziomach mózgu, a odpowiedź hemodynamiczna jest modulowana przez odpowiedź psychofizyczną. W celu zbadania obwodowej odpowiedzi funkcji nerwów autonomicznych można przeprowadzić monitorowanie fizjologiczne. W niniejszym filmie opisano badania przeprowadzone w punktach LI4 (hegu), ST36 (zusanli) i LV3 (taichong), które są klasycznymi punktami akupunkturowymi powszechnie stosowanymi w działaniach modulujących i przeciwbólowych. Zwrócono również uwagę na kwestie wymagające szczególnej uwagi przy zastosowaniu fMRI w badaniach nad akupunkturą.

Protokół

Część 1: Świadoma zgoda i przygotowanie uczestnika

Zdrowi ochotnicy dorośli są rekrutowani do badania zgodnie z procedurami zatwierdzonymi przez Komisję Bioetyczną. Przed rozpoczęciem badania badany podpisuje formularz świadomej zgody.

Część 2: Konfiguracja sprzętu do monitorowania fizjologicznego

System AD Instruments PowerLab umożliwia synchronizację danych fizjologicznych z obrazowaniem fMRI poprzez wykorzystanie sygnału wyzwalającego fMRI rejestrowanego na kanale wejściowym. Jest to system oparty na laptopie z wejściami dla EKG, oddychania, reakcji przewodnictwa skóry, pulsoksymetrii oraz każdego innego sygnału fizjologicznego, który wymagałby rejestracji.

1. W przypadku użycia systemu pasa oddechowego, przetwornik musi zostać podłączony do gniazda zasilania w pomieszczeniu sąsiadującym ze skanerem, przy czym rurka prowadząca do pasa powinna zostać wprowadzona przez wlot do pomieszczenia skanowania, a złączy BNC należy doprowadzić do urządzenia PowerLab w sterowni skanowania.
2. Jeśli do synchronizacji danych fizjologicznych z danymi fMRI używany jest wyzwalacz, kabel BNC musi również łączyć sygnał wyzwalający skanera MRI z urządzeniem PowerLab w sterowni skanowania.
3. Przygotować urządzenia monitorujące. Potrzebne będą cztery elektrody EKG oraz kabel EKG podłączony do kompatybilnego z MRI wózka systemu In Vivo.
4. W przypadku pomiaru przewodnictwa skóry, należy podłączyć złącza przewodnictwa skóry do rozdzielacza w pomieszczeniu skanowania oraz przygotować żel do przewodnictwa skóry w pomieszczeniu skanowania.

Część 3: Przygotowanie badanego do skanowania MR

1. Ważne jest wykluczenie nadmiernego niepokoju i zmęczenia w dniu badania, ponieważ stan bazowy może wpływać na reakcję mózgu na stymulację akupunkturową. Zaleca się, aby badany spożył lekki posiłek przed procedurą, aby uniknąć osłabienia i niepożądanych reakcji.
2. Należy poinstruować badanego, aby położył się na plecach w urządzeniu, używając zatyczek do uszu w celu wytłumienia hałasu skanera, z głową unieruchomioną za pomocą amortyzowanych podkładek. Ponieważ stosunek sygnału do szumu w skanach stymulacji akupunkturowej jest niski w porównaniu z typowymi zadaniami motorycznymi lub wizualnymi, dane są bardziej podatne na zakłócenia spowodowane ruchami głowy. Pod kolanami umieszcza się podkładkę, aby pięty nie dotykały powierzchni stołu, co ma na celu ograniczenie ruchów ciała. Mocuje się cewkę głowy i reguluje podkładki dla zapewnienia komfortu. Przy średnim czasie sesji skanowania wynoszącym 2 godziny, komfort jest kluczowy dla nieprzerwanego przebiegu badania.
3. Jeśli wymagany jest monitoring fizjologiczny, badany powinien zostać przygotowany zgodnie z poprzednią sekcją przed umieszczeniem w skanerze. W razie dostępności zaleca się monitorowanie stanu czuwania badanego za pomocą eyetrackingu podczas skanowania.
4. Przymocuj 4 elektrody EKG do lewej górnej części klatki piersiowej badanego (w przypadku kobiet należy zachować środki ostrożności w celu zapewnienia prywatności, np. opuścić żaluzje w oknie do komory w sterowni skanera i zamknąć drzwi skanera). Podłącz kabel do elektrod oraz do urządzenia In Vivo. Ze względów bezpieczeństwa kabel ten oraz wszystkie pozostałe kable prowadzące do badanego powinny biec bezpośrednio wzdłuż stołu do skanowania, bez tworzenia pętli. Włącz urządzenie In Vivo i sprawdź jakość sygnału EKG. W razie potrzeby skoryguj ułożenie elektrod.
5. Wypełnij wgłębienia elektrod SCR żelem przewodzącym. Ten specjalny żel SCR powinien być izotoniczny względem skóry. Wykonaj kalibrację zera w obwodzie otwartym w oprogramowaniu Chart. Przymocuj elektrody SCR do dwóch sąsiednich opuszków palców dystalnych dłoni badanego, owijając rzepy tak ciasno, jak to jest komfortowe.

Część 4: Funkcjonalne sekwencje obrazowania MR dostosowane do obrazowania stymulacji akupunkturowej.

1. Używamy systemu MRI Siemens Trio 1,5 lub 3,0 Tesla (Siemens, Erlangen, Niemcy) wyposażonego do obrazowania echo-planar z następującą standardową kwadratową cewką głowową.
2. Nasze wieloletnie badania konsekwentnie wykazały, że akupunktura wywiera szeroki wpływ na układy funkcjonalne na wielu poziomach mózgu. Struktury znajdujące się w podstawie mózgu, takie jak ciało migdałowate, hipokamp, brzuszno-przyśrodkowa kora przedczołowa i obszary podkolanowe, są szczególnie podatne na artefakty podatności. Ważne jest sprawdzenie każdego funkcjonalnego skanu EPI, aby wykluczyć utratę sygnału w tych regionach, ponieważ odnotowaliśmy różnice w utracie sygnałów między dwoma modelami skanerów Siemens o podobnej indukcji pola i podobnej sekwencji MRI do zbierania danych.
3. Cieńsze warstwy mózgu są preferowane w celu redukcji artefaktów podatności. W zależności od pojemności pamięci systemu obrazowania, w orientacji strzałkowej lub osiowej stosuje się warstwy o grubości 3 mm z przerwą 0,6 mm lub 0,75 mm, aby objąć cały mózg, w tym pień mózgu i móżdżek. W przypadku obrazowania częściowego mózgu można zastosować inne orientacje i grubości warstw. Szczególna uwaga poświęcona tym kwestiom przyczynia się do uzyskania bardziej spójnych wyników dotyczących efektów akupunktury w strukturach podstawy mózgu.
4. Skanowanie funkcjonalne wykonuje się za pomocą sekwencji echo gradientowego ważonej T2* (TR/TE 4000/30 ms, FOV 200 mm, macierz 64x64, kąt odchylenia 90°, grubość warstwy 3,0 mm, przerwa 0,6 mm). Pozyskano łącznie 150 punktów czasowych w ciągu 10 min. Zbieraniu obrazów poprzedza 4 skany próbne (dummy scans) w celu wyrównania sygnału fMRI. Krótszy czas TE redukuje artefakty podatności. Relatywnie długi TR umożliwia objęcie całego mózgu przy wysokiej rozdzielczości przestrzennej.

Część 5: Początkowe skany lokalizacyjne i anatomiczne

1. Przed przeprowadzeniem funkcjonalnych skanów z akupunkturą należy wykonać skan lokalizacyjny, anatomiczny skan o wysokiej rozdzielczości oraz obrazowanie 3D MP-RAGE zależne od czasu T1, aby zapewnić prawidłowe ustawienie i poprawność anatomiczną. Ogólna obserwacja na tym etapie pozwala uniknąć wykonywania zbędnych skanów. Skan lokalizacyjny, będący bardzo krótką procedurą, zapewnia objęcie całego mózgu w polu widzenia i umożliwia jego wyrównanie względem linii AC-PC. W przypadku wykrycia podejrzanych anomalii badacze przesyłają obrazy do doświadczonego radiologa, jednak nie powinni przekazywać badanym żadnych informacji na temat zawartości skanów.
2. Początkowe skany trwają łącznie około 20 minut. Krótka analiza obrazów pozwala badaczowi ocenić, czy kontynuowanie skanowania będzie zasadne. Jest to odpowiedni moment na rozmowę z badanym w celu upewnienia się, że nadal czuje się on komfortowo i nie doświadcza żadnych niepożądanych efektów przebywania w polu magnetycznym.

Część 6: Akupunktura z monitorowaniem fMRI

Z dwóch form leczenia (manualnej manipulacji igłą i stymulacji elektrycznej), niniejszy film ograniczy się do akupunktury manualnej, która ma znacznie dłuższą historię zastosowań klinicznych. Stymulacja akupunkturowa jest przeprowadzana w dwóch seriach w klasycznych punktach akupunktury LI4 na dłoni, LV3 na stopie lub ST36 na nodze, z wykorzystaniem sterylnych igieł do akupunktury przeznaczonych do jednorazowego użytku.

1. Poinstruuj badanych, aby się zrelaksowali, trzymali zamknięte oczy i unikali ruchów podczas skanowania. Aby uniknąć szkodliwej stymulacji, szczególnie instruujemy badanego, aby podniósł jeden palec, jeśli jakiekolwiek odczucia związane z akupunkturą zbliżą się do oceny 8, oraz dwa palce w przypadku wystąpienia ostrego bólu o dowolnym nasileniu.
2. Po wprowadzeniu igły sprawdź wstępnie wrażliwość i tolerancję badanego na manipulację igłą, aby pomóc w wyborze głębokości wprowadzenia oraz siły manipulacji podczas zbierania danych.
3. Podczas 10 min obrazowania funkcjonalnego igła jest rotowana przez 2 min w fazach M1 i M2 oraz pozostaje w miejscu podczas okresów odpoczynku R1 (2 min), R2 (3 min), R3 (1 min). Akupunkturzysta dba o to, aby nie podchodzić do badanego ani nie oddalać się od niego bezpośrednio przed lub po okresie stymulacji, ponieważ nawet taki ruch mógłby wpłynąć na wyniki. (Paradygmat, Ryc. 1)
   
   Rycina 1. Paradygmat fMRI akupunktury.
4. Po zakończeniu stymulacji akupunkturowej akupunkturzysta zapisuje siłę, z jaką igła stawia opór manipulacji. Na koniec każdego skanowania inny członek zespołu badawczego prosi badanego o ocenę odczuwanego wrażenia w skali 1-10. Lista obejmująca: ból tępy, tkliwość, ucisk, uczucie pełności, ciężkość, drętwienie, mrowienie, ból tępy, ból ostry, opiera się na doświadczeniach środowiska akupunkturzystów i poprzednich danych eksperymentalnych, a nie na kwestionariuszach bólu dostępnych w literaturze. Reakcja psychofizyczna jest kategoryzowana jako typowa grupa deqi oraz druga grupa deqi zmieszanego z ostrym bólem na podstawie tych zapisów.
5. Rozmawiaj z badanymi pomiędzy skanowaniami, aby upewnić się, że czują się komfortowo i pozostają rozbudzeni. Jeśli w jakiejkolwiek części ciała pojawi się skurcz lub dyskomfort, personel badawczy na miejscu powinien podjąć odpowiednie kroki w celu jego złagodzenia. Ruchy wykonywane przez badanego spowodowałyby uszkodzenie danych. Sporadycznie badani mogą zasnąć podczas skanowania, co wpłynęłoby na odpowiedź hemodynamiczną.

Część 7: Przetwarzanie danych

1. Można przeprowadzić analizy na wielu poziomach. Ogólny model liniowy wykorzystuje okresy spoczynku jako punkt odniesienia do określenia procentowej zmiany sygnału BOLD MR w każdym wokselu mózgu podczas wykonywania zadania. Określa on również istotność statystyczną tych zmian i usuwa dane BOLD, które nie obejmują 3 sąsiadujących wokseli przy określonej wartości p.
2. Należy przeprowadzić analizę korelacji krzyżowej opartą na ziarnie (seed-based cross correlation analysis), aby wykazać łączność funkcjonalną między jednym obszarem neurologicznym a resztą mózgu. Odbywa się to poprzez wybór obszaru referencyjnego i porównanie jego przebiegu czasowego z przebiegiem każdego innego woksela w mózgu. Można zastosować inne analizy, takie jak analiza niezależnych komponentów, analiza rozmytych klastrów, modelowanie równaniami strukturalnymi czy przyczynowość Grangera.
3. Dane fizjologiczne można analizować poprzez uśrednianie odpowiedzi w oknach czasowych powiązanych ze stymulacją igłą akupunkturową. Na przykład dane EKG mogą zostać opisane pod kątem czasu wystąpienia kompleksu QRS, a następnie poddane analizie tętna i zmienności rytmu serca.

Część 8: Wyniki

Rycina 2. Odpowiedź hemodynamiczna w akupunkturze deqi vs. stymulacja dotykowa w prawych punktach LI4, ST36 i LV3 (52 serie/37 obiektów). Klastry dezaktywowanych struktur w MPFC (przyśrodkowej korze przedczołowej) (1), MPC (przyśrodkowej korze ciemieniowej) (2), MTL (przyśrodkowym płacie skroniowym) (3) były bardziej wyraźne w akupunkturze (Ryc. A) niż w stymulacji dotykowej (Ryc. B). Szeroka dezaktywacja prawej BA22/21 (4) w akupunkturze nie została zaobserwowana w stymulacji dotykowej. Sensorymotoryczna BA43 (5) oraz kora asocjacyjna (6) wykazały większą aktywację w stymulacji dotykowej niż w akupunkturze (nie pokazano). Co ciekawe, prawa przednia wyspa (7) została aktywowana w akupunkturze, a nie w stymulacji dotykowej. (p<0.0001).

Rycina 3. Odpowiedź hemodynamiczna w stanie deqi (52 serie/37 obiektów) w porównaniu do deqi połączonego z ostrym bólem (52 serie/29 obiektów) podczas stymulacji akupunkturowej w punktach LI4, ST36 i LV3 po prawej stronie. Wyraźna deaktywacja MPFC (1), MPC (2) i MTL (3), obserwowana przy deqi bez bólu (Ryc. A), została osłabiona w obecności bólu (Ryc. B). W przypadku bólu bardziej widoczna stała się aktywacja kory sensoryczno-motorycznej i asocjacyjnej (4), a podzbiór regionów limbicznych i paralimbicznych, takich jak midC/SMA (5), postC_BA23 (6), Amy (7) oraz robaczek móżdżku (8), uległ aktywacji. Prawa przednia wyspa (9) była wyraźnie aktywowana w stanie deqi, natomiast mniejsze obszary przedniej i tylnej wyspy (10) były aktywowane obustronnie w przypadku bólu. P<0.0001.

Rycina 4. Nakładanie się sieci limbiczno-paralimbiczno-neokortykalnej (LPNN) podczas akupunktury z siecią aktywności spoczynkowej (DMN); Odpowiedź BOLD sieci LPNN w analizie GLM (Ryc. A) oraz w bezmodelowej analizie klastrów rozmytych (Fuzzy Cluster analysis) (Ryc. B) podczas stymulacji akupunkturowej w punktach LI4, ST36 i LV3 wykazuje wzorce niemal identyczne z siecią DMN (Ryc. C, zaadaptowano z Shulman et al, 1997). Klastry regionów z koherentnym spadkiem sygnału pojawiają się w przyśrodkowej korze przedczołowej (1), tylno-przyśrodkowej korze (2) oraz płacie skroniowym (3). p<0.0001.

Dyskusja

Stosowanie właściwych technik, doświadczenie akupunkturzysty oraz duża liczebność próby, pozwalająca na oddzielenie efektów od zakłócającego wpływu przypadkowej stymulacji bolesnej, są kluczowe dla pozyskiwania i interpretacji danych fMRI z akupunktury. Nasze badania kilku klasycznych punktów akupunkturowych wskazują, że akupunktura moduluje sieć limbiczną, która jest istotnym wewnętrznym systemem regulacyjnym ludzkiego mózgu. Sieć ta wykazuje znaczną zgodność z domyślnym trybem pracy mózgu w spoczynku. Powiązane z tym z...