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 badanego

Do badania rekrutuje się zdrowych dorosłych ochotników zgodnie z procedurami zatwierdzonymi przez Instytucjonalną Komisję Rewizyjną. Przed rozpoczęciem badania badany podpisuje formularz świadomej zgody.

Część 2: Konfiguracja sprzętu do monitorowania fizjologicznego

System AD Instruments PowerLab umożliwia synchronizację danych fizjologicznych ze skanem 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 wymaga 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 złącze BNC powinno prowadzić do PowerLab w pomieszczeniu sterowania skanerem.
2. Jeśli do synchronizacji danych fizjologicznych z danymi fMRI używany jest wyzwalacz, kabel BNC musi również łączyć sygnał wyzwalający skanera MRI z PowerLab w pomieszczeniu sterowania skanerem.
3. Przygotować urządzenia monitorujące. Potrzebne będą cztery elektrody EKG oraz kabel EKG podłączony do kompatybilnego z MR wózka systemu In Vivo.
4. W przypadku pomiaru przewodnictwa skóry, należy podłączyć złącza przewodnictwa skóry do skrzynki rozdzielczej w pomieszczeniu skanowania i przygotować żel do pomiaru przewodnictwa skóry w pomieszczeniu skanowania.

Część 3: Przygotowanie badanego do skanowania MR

1. W dniu badania istotne jest wykluczenie nadmiernego niepokoju i zmęczenia, ponieważ stan podstawowy może wpływać na reakcję mózgu na stymulację akupunkturową. Zaleca się, aby badany spożył lekki posiłek przed procedurą, aby uniknąć osłabienia i niepożądanych reakcji.
2. Poleć badanemu położyć się na plecach w urządzeniu, z założonymi zatyczkami do uszu w celu wytłumienia hałasu skanera oraz z głową unieruchomioną za pomocą miękkich podpórek. 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 ruchem głowy. Pod kolana umieszcza się podpórkę, aby odsunąć pięty od powierzchni stołu, co ma na celu ograniczenie ruchów ciała. Mocuje się cewkę głowową i reguluje poduszki 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 eye-trackingu podczas skanowania.
4. Przytwierdź 4 elektrody EKG do lewej górnej części klatki piersiowej badanego (w przypadku kobiet należy zachować środki ostrożności w celu zapewnienia prywatności, np. opuszczając żaluzje w oknie do komory w pomieszczeniu sterowania skanerem i zamykając 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 zerowanie obwodu otwartego w oprogramowaniu Chart. Przytwierdź elektrody SCR do dwóch sąsiednich opuszków palców dystalnych dłoni badanego, owijając rzepy tak ściśle, jak jest to 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) przystosowanego do obrazowania echo-planarnej (EPI) ze standardową kwadratową cewką głowową.
2. Nasze badania prowadzone na przestrzeni lat konsekwentnie wykazały, że akupunktura wywiera szeroki wpływ na układy funkcjonalne na wielu poziomach mózgu. Struktury położone w podstawie mózgu, takie jak ciało migdałowate, hipokamp, brzuszna część przyśrodkowej kory przedczołowej oraz obszary podkolanowe, są szczególnie podatne na artefakty podatności magnetycznej. Ważne jest sprawdzenie każdego funkcjonalnego skanu EPI w celu wykluczenia utraty sygnału w tych obszarach, ponieważ stwierdziliśmy różnice w utracie sygnałów pomiędzy dwoma modelami skanerów Siemens o podobnej indukcji pola i z podobną sekwencją MRI do zbierania danych.
3. W celu redukcji artefaktów podatności zalecane jest stosowanie cieńszych przekrojów mózgu. W zależności od pojemności pamięci systemu obrazowania, do objęcia całego mózgu, w tym pnia mózgu i móżdżku, stosuje się przekroje o grubości 3 mm z przerwą 0,6 mm lub 0,75 mm w orientacji strzałkowej lub osiowej. W przypadku częściowego obrazowania mózgu można zastosować inne orientacje i grubości przekrojów. Szczególna uwaga poświęcona tym kwestiom przyczynia się do uzyskania bardziej spójnych wyników dotyczących efektów akupunktury w strukturach podstawy mózgu.
4. Skanów funkcjonalnych wykonuje się za pomocą sekwencji gradientowego echa ważonej T2* (TR/TE 4000/30 ms, FOV 200 mm, macierz 64x64, kąt odchylenia 90°, grubość przekroju 3,0 mm, przerwa 0,6 mm). W ciągu 10 min zarejestrowaliśmy łącznie 150 punktów czasowych. Zbieraniu obrazów poprzedza 4 skany kontrolne (dummy scans), aby umożliwić wyrównanie sygnału fMRI. Krótsze TE redukuje artefakty podatności. Relatywnie długie TR pozwala na objęcie całego mózgu przy wysokiej rozdzielczości przestrzennej.

Część 5: Wstępny skan lokalizacyjny i skany anatomiczne

1. Przed wykonaniem funkcjonalnych skanów z akupunkturą należy przeprowadzić skan lokalizacyjny, anatomiczny skan o wysokiej rozdzielczości oraz 3D MP-RAGE z kontrastem T1, aby zapewnić prawidłowe pozycjonowanie i poprawność anatomiczną. Ogólna obserwacja na tym etapie pozwala uniknąć wykonywania zbędnych skanów. Skan lokalizacyjny, będący bardzo krótką procedurą, gwarantuje, że cały mózg został objęty obrazowaniem i umożliwia jego wyrównanie względem linii AC-PC. W przypadku stwierdzenia jakichkolwiek podejrzanych anomalii badacze powinni przesłać obrazy do doświadczonego radiologa, jednak nie powinni przekazywać badanym żadnych informacji na temat wyników skanowania.
2. Wstępne skany trwają łącznie około 20 minut. Szybki przegląd obrazów pozwala badaczowi ocenić, czy kontynuowanie skanowania będzie zasadne. Jest to odpowiedni moment na rozmowę z badanym, aby upewnić się, że nadal czuje się komfortowo i nie doświadcza żadnych działań niepożądanych wynikających z przebywania w magnetometrze.

Część 6: Akupunktura z monitorowaniem fMRI

Z dwóch form leczenia (manualnej manipulacji igłami i stymulacji elektrycznej), niniejszy materiał wideo ogranicza się do akupunktury manualnej, która ma znacznie dłuższą historię zastosowań klinicznych. Stymulacja akupunkturowa jest przeprowadzana w dwóch seriach na klasycznych punktach akupunkturowych LI4 na dłoni, LV3 na stopie lub ST36 na nodze, z wykorzystaniem sterylnych, jednorazowych igieł do akupunktury.

1. Poinstruuj badanych, aby się zrelaksowali, trzymali zamknięte oczy i powstrzymali się od ruchów podczas skanowania. Aby uniknąć uciążliwej stymulacji, instruujemy badanego, aby uniósł jeden palec, jeśli jakiekolwiek odczucia związane z akupunkturą zbliżą się do wartości 8 w skali, oraz uniósł dwa palce w przypadku wystąpienia ostrego bólu o dowolnym nasileniu.
2. Po wprowadzeniu igły przeprowadź wstępny test wrażliwości i tolerancji badanego na manipulację igłą, aby pomóc w wyborze głębokości wprowadzenia oraz siły manipulacji podczas gromadzenia danych.
3. Podczas 10 min obrazowania funkcjonalnego igła jest obracana przez 2 min w fazach M1 i M2 oraz pozostaje w miejscu podczas okresów spoczynku 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 akupunkturą, akupunkturzysta odnotowuje siłę oporu igły podczas manipulacji. Na koniec każdego skanowania inny członek zespołu badawczego prosi badanego o ocenę odczuwanych wrażeń w skali 1-10. Lista obejmująca: ból tępy, tkliwość, ucisk, uczucie pełności, ciężkość, drętwienie, mrowienie, ból tępy, ból ostry, opiera się na doświadczeniach środowiska akupunkturystów i poprzednich danych eksperymentalnych, a nie na kwestionariuszach bólu dostępnych w literaturze. Na podstawie tych zapisów reakcja psychofizyczna jest klasyfikowana jako typowa grupa deqi oraz kolejna grupa deqi zmieszane z ostrym bólem.
5. Rozmawiaj z badanymi pomiędzy skanowaniami, aby upewnić się, że czują się komfortowo i pozostają rozbudzeni. Jeśli w jakiejkolwiek części ich ciała wystąpią skurcze lub dyskomfort, obecny na miejscu personel badawczy powinien podjąć odpowiednie środki w celu złagodzenia tych dolegliwości. 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 analizę na wielu poziomach. Ogólny model liniowy wykorzystuje okresy spoczynku jako linię bazową 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-value.
2. Przeprowadza się analizę korelacji krzyżowej opartą na ziarnie (seed-based cross correlation analysis), aby wykazać łączność funkcjonalną między jednym regionem neurologicznym a resztą mózgu. Odbywa się to poprzez wybranie regionu referencyjnego i porównanie jego przebiegu czasowego z przebiegiem każdego innego woksela w mózgu. Można zastosować także inne analizy, takie jak analiza niezależnych komponentów, analiza rozmytych klastrów, modelowanie równań strukturalnych czy przyczynowość Grangera.
3. Dane fizjologiczne można analizować poprzez uśrednianie odpowiedzi w oknach czasowych powiązanych ze stymulacją igłą akupunkturową. Na przykład dane EKG można opatrzyć adnotacjami dotyczącymi czasu wystąpienia kompleksu QRS, a następnie przeprowadzić analizę tętna i zmienności rytmu serca.

Część 8: Wyniki

Rysunek 2. Odpowiedź hemodynamiczna podczas akupunktury deqi vs. stymulacji dotykowej w prawych punktach LI4, ST36 i LV3 (52 serie/37 badanych). Gromady struktur zdeaktywowanych w MPFC (przyśrodkowej korze przedczołowej) (1), MPC (przyśrodkowej korze ciemieniowej) (2) oraz MTL (przyśrodkowym płacie skroniowym) (3) były bardziej wyraźne w akupunkturze (Rys. A) niż w stymulacji dotykowej (Rys. B). Szeroka dezaktywacja prawego BA22/21 (4) w akupunkturze nie została zaobserwowana podczas stymulacji dotykowej. Sensoromotoryczne BA43 (5) oraz kora asocjacyjna (6) wykazały większą aktywację w stymulacji dotykowej niż w akupunkturze (nie pokazano). Co ciekawe, prawa przednia wyspa (7) była aktywowana podczas akupunktury, a nie podczas stymulacji dotykowej. (p<0.0001).

Rysunek 3. Odpowiedź hemodynamiczna w deqi (52 serie/37 badanych) w porównaniu z deqi połączone z ostrym bólem (52 serie/29 badanych) podczas stymulacji akupunkturowej w punktach LI4, ST36 i LV3 po prawej stronie. Wyraźna dezaktywacja mPFC (1), MPC (2) i MTL (3) obserwowana przy odczuciu deqi bez bólu (Rys. A) uległa osłabieniu w obecności bólu (Rys. B). W przypadku wystąpienia bólu bardziej zaznaczyła się aktywacja kory sensoryczno-motorycznej i kory asocjacyjnej (4), a aktywowane zostały również niektóre obszary limbiczne i paralimbiczne, takie jak midC/SMA (5), postC_BA23 (6), Amy (7) oraz robaczek móżdżku (8). Prawa przednia część wyspy (9) była wyraźnie aktywowana w deqi podczas gdy mniejsze obszary przedniej i tylnej części wyspy (10) uległy obustronnej aktywacji w odpowiedzi na ból. P<0.0001.

Rycina 4. Nakładka sieci limbiczno-paralimbiczno-neokortykalnej (LPNN) w akupunkturze na sieć stanu spoczynku (DMN); Odpowiedź BOLD sieci LPNN w analizie GLM (Ryc. A) oraz w bezmodelowej analizie rozmytych skupień (Fuzzy Cluster analysis) (Ryc. B) podczas stymulacji akupunkturowej w punktach LI4, ST36 i LV3 wykazuje niemal identyczne wzorce jak w przypadku DMN (Ryc. C, zaadaptowano z Shulman et al, 1997). Skupiska obszarów z koherentnymi spadkami 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...