关于针刺脑功能磁共振成像相关影响因素的探讨

张 威，徐春生，朱一芳综述 李传富审校

（1.安徽中医学院，安徽 合肥230038；2.安徽中医学院第一附属医院，安徽 合肥230031）

针刺作为中国传统医学的一种重要治疗方法，其治疗作用已经得到广泛认可，但针刺的作用机制尚不完全清楚［1］，f MRI近年来被广泛应用于针刺作用机制的研究中。国内外学者在针刺脑功能成像方面做了大量的研究并取得了一些成果，但研究结果差异很大［2］，如 Cho［3］首次报道了针刺视觉相关的穴位可以引起大脑视觉皮层的激活，但是实验结果不能很好地被后来的研究所重复，因此，Cho［4］于2006年撤回了发表在《美国科学院院刊》杂志上的文章。针刺脑功能成像作为一门新兴而且复杂的技术，研究结果受数据采集、实验设计、数据处理及个体差异等多种因素的影响，而这些影响因素在以往的针刺脑功能成像相关研究中并未引起足够重视，因此全面了解针刺脑功能成像的相关影响因素具有重要的现实意义。

1 f MRI数据采集相关参数对针刺脑功能成像的影响

针刺脑功能成像数据采集过程涉及到各种参数选择，包括设备场强和回波时间等，这些参数的差异均可能影响研究结果。MRI信号强度与设备的主磁场强度成正比，场强越大，MR图像的SNR越高。超高场强MRI以其较高的磁敏感效应及较高的分辨力倍受关注，但某些研究［5］报道了磁敏感效应的增加也在颅底增加了相应的伪影。目前f MRI研究大多数都是在1.5～3.0 T的 MR扫描仪器上完成的，但关于设备场强是否对实验结果产生影响的研究目前尚未见报道。针刺脑功能成像采用的扫描序列包括GRE序列和EPI序列，以EPI序列最为常用，但不同学者对扫描序列具体参数的选择如重复时间、TE、扫描层厚等有所差异。其中TE的选择对图像质量的影响最为重要。TE是一个决定磁敏感的重要参数并影响着激活信号的对比度，同时还决定着相位编码的获取速度，也是成像速度的重要影响因素。张海等［6］研究了不同TE对脑功能成像的影响，结果表明不同TE对功能激活区结果有不同的影响，其中以TE为50 ms时得到的激活信号更强。因此，在f MRI研究中应该综合考虑到各种数据采集参数对研究结果的影响，不断优化数据采集扫描参数，以提高针刺脑功能成像结果的可靠性。

2 实验方案设计对针刺脑功能成像的影响

利用f MRI研究针刺作用机制过程中，最基本也是最重要的一个方面就是实验方案的设计，目前国内外文献报道的f MRI实验设计的各个方面均存在明显差异，深入了解实验设计对研究结果的影响具有重要的意义。针刺脑功能成像实验设计大体上可以分为任务态f MRI和静息态f MRI，任务态f MRI是通过设计不同的刺激任务，观察针刺过程中不同任务状态下哪些脑区被激活，分析针刺的即刻效应；而静息态f MRI实验设计能够通过不同的数据处理方法，了解不同状态下如针刺前和针刺后的脑功能变化情况，在针刺研究中具有独特的优势。

2.1 基于任务态f MRI的实验方案设计

2.1.1 针刺刺激方案设计对脑功能成像的影响在任务态f MRI刺激方案设计中，组块设计和事件相关设计是2种最常见的类型。组块设计是基于认知相减原理的最经典设计模式，以组块的形式交替呈现刺激任务及静息任务，主要用于脑功能区的定位。其缺点在于容易引起被试者的期待反应，不能很好地模拟临床治疗的过程［7］。且近年来f MRI研究表明［8］针刺具有明显的持续效应，在针刺刺激作用完成后可能会保留针刺效果，导致大脑的活动状态并没有恢复到刺激前的平稳状态，使得基于组块设计的基线水平发生了变化。Dhond等［9］发现针刺的这种持续性效应在刺激结束后依然可以改变大脑默认模式网络以及感觉运动网络。Qin等［10］基于针刺持续性效应首次提出了非重复事件相关设计模式，即单组块后长时间静息的设计模式，这种方法可在一定程度上克服传统组块设计用于针刺研究的不足。

事件相关设计关注的是单次刺激或行为事件所引发的血氧反应，主要用于认知领域的研究。这种设计的优点体现在刺激顺序以及刺激时间间隔的随机性，可以减轻被试者的期待反应。也有学者对组块设计和事件相关设计进行了比较研究，如傅悦等［11］对13例健康志愿者进行不同任务模式下右手简单对指运动f MRI实验，研究这2种实验设计在方法学上的差异及其适用范围，结果显示2种实验设计均可激活对侧初级运动区及双侧辅助运动区，以组块设计激活作用更强、范围更大，有利于功能区的检出；事件相关设计激活作用较弱，有利于研究各功能区之间的相互联系。而无论是组块设计还是事件相关设计，国内外学者在刺激时间和重复次数上均存在着明显的不同，如何构建一套符合针刺特点的科学化、标准化的刺激方案有待研究者努力。

2.1.2 对照组的选择对针刺脑功能成像的影响从针刺引起脑功能活动的特异性角度来说，对照组的选取是必需的，而国内外学者关于对照组的选择存在着明显的不同。目前f MRI研究对照方法主要包括假针刺对照和安慰剂针对照，假针刺对照包括非穴位对照和非治疗穴位对照2种；安慰剂针包括简单的皮表针对照法和“Streitberger”针／皮表套迭式钝头针对照法［12］。也有学者针对真假穴位引起脑功能激活区做了对比研究，曾统军等［13］比较了针刺外关穴和非穴引起的脑功能激活区差异，发现针刺外关穴相对于非穴能较为特异性地激活中央后回和左侧小脑等区域，为其疗效特异性的中枢机制之一。但Fang等［14］发现在针刺真穴和假穴时两者激活区域存在着明显的重叠，大脑激活区域无明显差异。可以看出，国内外学者在关于穴位特异性问题上还存在着争议，这可能与f MRI研究缺乏统一的对照组标准有关。理想的安慰针刺对照应该符合如下标准：安慰针刺没有或几乎没有特定治疗作用，并且要针刺没有治疗作用的部位，受试者还不能察觉安慰针刺与治疗针刺的差别［15］。要使对照组的安慰针刺完全符合上述要求面临着很大的挑战，因为针刺的具体作用机制尚不明确。目前国内学者［16］较为认可的非穴位针刺点选取方法包括：①传统穴位旁开一定距离，避开经络循行路线，或邻近穴位之间的中点；②远离穴位的部位，且与穴位不在同一神经节段和解剖组织（如肌肉）上。在今后的研究中，根据研究目的和所治疗疾病选取相对合理可行的针刺对照方法，制定统一的非穴位对照标准，才能提高穴位特异性的研究结果的科学性。

2.1.3 不同针刺方法对针刺脑功能成像的影响针刺方法主要包括针刺的种类、针刺深度、针刺强度（针刺频率、持续时间等），而不同的针刺方法引起脑功能变化可能是不同的。近年来有学者研究了电针和手针对脑部激活区域的影响，Kong等［17］对11例健康志愿者的合谷穴进行电针和手针f MRI对照研究，发现电针可以引起中央前回、中央后回、顶下小叶、壳核和岛叶信号的增高，相比较手针可以引起后扣带回、颞上回、壳核和岛叶信号的减低，提示电针和手针刺激有不同的脑网络参与。也有学者研究了不同进针深度对脑激活区的影响，如Mac Pherson等［18］观察了手针深刺和浅刺合谷穴对脑功能成像的影响，结果表明深刺和浅刺引起的脑激活区无明显差异。也有学者针对不同穴位频率电刺激人脑反应作了研究，如 Napadow 等［19］分别采用2 Hz、100 Hz电针刺激健康志愿者的足三里穴，发现2 Hz电针激活脑干的区域广于100 Hz。综合以上报道可以看出，采用不同的针刺方法都可能会对针刺脑功能成像产生影响，而多数学者在针刺方法的具体内容上并不统一，这种针刺方法的差异很可能影响到实验结果的准确性。因此，在今后的研究中应深入开展针刺方法方面的研究，如统一采用电针并规定针刺的深度、角度，控制电针的频率、波形等参数，尽量在整个实验过程中由同一医师负责针刺工作，使每一位受试者产生得气感等，以减少针刺方法的差异对f MRI实验结果的影响。

总之，任务态f MRI实验设计是基于某种特定的实验任务，研究任务刺激在脑内的激活区，国内外学者在这方面得出了许多有意义的结果。但是任务态f MRI实验设计是早期研究应用较多的方式，其不足之处在于很难模拟临床治疗过程及难以避免针刺持续性效应的影响，而静息态f MRI实验设计弥补了任务态f MRI在这方面的不足。

2.2 基于静息态f MRI的实验方案设计 静息态一般指受试者清醒、闭眼、平静呼吸、安静平卧、最大限度减少身体主动与被动运动并且尽量不做任何思维活动的状态。Biswal［20］最早证实了在静息状态下左右大脑半球感觉运动皮层的BOLD信号存在低频涨落并保持着很高的相关性，暗示了在静息状态下不同脑区之间可能存在着复杂的功能连接。2001年Raichle等［21］发现在静息状态下后扣带回等一些脑区有稳定的负激活现象存在，这些脑区在静息状态下功能比较活跃，他们将这些功能上较活跃的脑区定义为默认脑网络。随着研究的深入，许多学者［22］发现在静息状态下大脑存在各种网络，包括运动网络、视觉网络等，这些网络由一些解剖位置分离但功能相关的脑区组成。近年来静息态已被应用于多种疾病的研究中，如Buckner［23］发现默认脑网络可能会被一些疾病中断，包括阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症和孤独症等。

静息态实验设计相对于任务态摒弃了复杂的任务刺激，可以了解特定状态下的脑功能情况，并且能够通过不同的数据处理方法包括基于种子点的功能连接分析、图论分析、小世界模型分析等，从不同侧面了解脑功能状态。因此，利用静息态可以设计出更能体现针刺效应的实验设计方案，也可以通过不同的方法得出更多有意义的结果。刘波等［24］利用静息态f MRI研究针刺后效应对脑功能连接的影响，他们以双侧后扣带回作为种子点对全脑皮层进行功能连接分析，通过分析针刺前及拔针后25 min的静息态数据，发现针刺后双侧后扣带回与脑部广泛区域存在着功能连接，且针刺后原有大部分脑区的功能连接强度明显增强。Liu等［25］采用图论分析方法研究针刺治疗后静息状态下的大脑网络，结果表明刺激真穴位能使脑干的联系不断加强，在此过程中前岛叶在联系大脑各个网络中起到很大作用。同样在静息态的研究中也会涉及到针刺对照组和针刺方法的选择，这些在上文已有提及。总之，静息态为全面探索大脑内部活动机制提供了新的思路和方法，已成为脑功能成像领域研究的热点。

3 数据处理方法对针刺脑功能成像的影响

目前f MRI数据处理方法主要分为两类：模型驱动分析法和数据驱动分析法［26］。应用较多的数据处 理 软 件 有 SPM（statistical para metric mapping）、AFNI（analasis of f unctional neur oI mages）和 FSL（f MRIB soft ware library），其 中 SPM 和AFNI是基于模型驱动的数据处理方法。但是这几种程序都会涉及到大量、复杂的参数选择，包括统计模型的选择、阈值校正方法的选择等，其中任何一项都会影响实验结果，而且不同的软件后处理结果也可能存在不同［27］。而数据驱动方法由于不需要预先假设大脑响应的时间曲线形式，相对于模型驱动方法具有更好的适应性。目前已有的数据驱动方法有主成分分析、独立成分分析和聚类分析等。可能是不同学者在数据后处理方面选择了不同的程序和参数，这也是导致多数学者研究结果出现差异的原因之一［28］。但是相对于其他影响因素，数据处理方法相对受质疑较少，因为每一种数据处理方法都有其科学性，很难在同一水平上比较其优劣，主要还是看大家普遍采用和广泛认同的数据处理方法，也可以互相取长补短，多种方法联合使用。

4 个体差异对针刺脑功能成像的影响

不同个体对相同穴位的针刺反应差异很大，徐春生等［29－30］通过采用相同的实验设计、数据采集参数及数据处理方法进行f MRI个体差异研究，结果显示针刺研究的被试样本量大小不同、样本量相同的不同被试分组之间而呈现出巨大的差别。且新近的研究表明心率变异（heart rate variability，HRV）也存在着个体差异，深入了解个体差异的大小对科学地判断针刺研究的结果具有重要的价值。HRV是指逐次心跳周期差异的变化情况，HRV与许多疾病的发病率和死亡率相关，针刺可以调节HRV，可能是通过调节自主神经系统的功能来治疗疾病［31］。个体差异与很多因素相关，不同个体对针刺感觉的差异及其疗效的认知程度，随之而产生的心理预期可能是受试者产生个体差异的重要因素［32］。个体差异可能也会与HRV相关，在未来的研究中将针刺与HRV相结合将进一步促进个体差异的研究［33］。

5 结语

f MRI为我们提供了一种可以无创、实时、活体地反映针刺过程中脑功能变化的方法，已成为研究针刺作用机制的最重要工具之一，在脑的基础研究和临床神经科学等方面显示出广阔的发展前景。但f MRI作为一种新兴而且复杂的研究手段，研究结果受到多种因素的影响，如序列参数的选择、实验方案的设计、数据后处理方法的选择与个体差异等。目前对针刺脑功能成像各种影响因素的研究还不够深入，为得出可靠的实验结果，下一步有必要对其进行系统化、规范化研究。总之，应用f MRI研究针刺的作用机制需要不断完善研究手段，建立一套相对统一和规范化的方法学。

［1］Vander Ploeg K，Yi XB.Acupuncture in modern society ［J］.Jour nal of Acupunct ure Meridian Stud，2009，2：26－33.

［2］徐春生，李传富，鲍风 .针刺健康人功能性磁共振成像研究进展 ［J］.中国CT和 MRI杂志，2010，8（2）：64－67.

［3］Cho ZH，Chung SC，Jones JP，et al.New findings of the correlation bet ween acupoints and corresponding brain cortices using f unctional MRI［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1998，95：2670－2673.

［4］Cho ZH，Chung SC，Lee HJ，et al.Retraction.New findings of t he correlation bet ween acupoints and corresponding brain cortices using f unctional MRI［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2006，103：105－127.

［5］Ge Y，Gross man RI，Dai J，et al.Ultra－high－field MR i maging：a spectacular vision of the brain［J］.Chin J Magn Reson Imaging，2010，1：169－176.

［6］张海，冯锡刚 .脑功能磁共振成像的扫描参数优化［J］.苏州大学学报，2006，26（4）：602－604.

［7］Beissner F.Functional magnetic resonance i maging studies of acupunct ure mechanis ms：a critique［J］.Focus on Alter native and Co mpli mentary Therapies，2011，16：3－11.

［8］Bai L，Qin W，Tian J，et al.Detection of dyna mic brain net wor ks modulated by acupuncture using a gragh t heor y model［J］.Pr ogress in Nat ural Science，2009，19：827－835.

［9］Dhond RP，Yeh C，Par k K，et al.Acupunct ure modulates resting state connectivity in default and sensori motor brain networ ks［J］.Pain，2008，136：407－418.

［10］Qin W，Tian J，Bai L，et al.FMRI connectivity analysis of acupuncture effects on an a mygdala－associated brain network［J］.Mol Pain，2008，4：55.

［11］傅悦，张权，张云亭，等 .手运动组块设计和事件相关设计的f MRI比较研究 ［J］.放射学实践，2006，21（1）：5－8.

［12］张毅，刘鹏，田捷，等 .针刺效应的神经影像学研究［J］.软件学报，2009，20（5）：1 207－1 215.

［13］曾统军，赖新生，黄泳，等 .针刺外关穴与非穴f MRI脑功能成像的比较研究 ［J］.中国医学影像学杂志，2010，18（6）：532－537.

［14］Fang JL，Krings T，Weidemann J，et al.Functional MRI in healthy subjects during acupuncture：different effects of needle rotation in real and false acupoints［J］.Neur oradiology，2004，46：359－362.

［15］刘京，王俊英，刘俊岭，等 .安慰针刺对照设计的研究进展与相关问题探讨 ［J］.针刺研究，2007，32（6）：389－392.

［16］田小平，李瑛，马婷婷，等 .经穴与非经穴效应比较研究的现状与思考 ［J］.中国针灸，2008，28（12）：907－909.

［17］Kong J，Ma L，Gollub RL，et al.A pilot study of f unctional magnetic resonance i maging of t he brain during manual and electroacupunct ure sti mulation of acupunct ure point （LI－4 Hegu）in nor mal subjects reveals differential brain Activation bet ween met hods［J］.Jour nal of Alter native And Co mplementary Medicine，2002，8：411－419.

［18］Mac Pherson H，Green G，Nevado A，et al.Brain i maging of acupuncture：co mparing superficial wit h deep needling ［J］.Neuroscience Letters，2008，434：144－149.

［19］Napado w V，Makris N，Liu J，et al.Effects of electroacupunct ure versus manual acupuncture on t he hu man brain as measured by f MRI［J］.Hu m Brain Mapping，2005，24：193－205.

［20］Biswal B，Yet kin F，Haught on V，et al.Functional connectivity in the motor cortex of resting hu man brain using echo－planar MRI［J］.Magn Reson Med，1995，34：537－541.

［21］Raichle ME，Mac Leod AM，Snyder AZ，et al.A default mode of brain f unction［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2001，98：676－682.

［22］van der Heuvel MP，Hulshoff Pol HE.Exploring t he brain net work：A review on resting－state f MRI f unctional connectivity［J］.European Neuropsychophar macology，2010，20：519－534.

［23］Buckner RL.The serendipitous discovery of t he brain’s default net wor k［J］.NeuroImage，2011，62：1137－1145.

［24］刘波，刘岘，龙玉，等 .MRI观察针灸后效应对脑功能连接的影响［J］.中国医学影像技术，2009，25（12）：2 186－2 189.

［25］Liu J，Qin W，Guo Q，et al.Distinct brain net works f or ti mevaried characteristics of acupunct ure ［J］.Neur oscience Letters，2010，468：353－358.

［26］Lu N，Shan BC，Xu JY，et al.Improved temporal cl ustering analysis method applied to whole－brain data in acupuncture f MRI st udy［J］.Magnetic Resonance Imaging，2007，25：1190－1195.

［27］Zhang J，Anderson JR，Liang L，et al.Evaluation and opti mization of f MRI single－subject processing pipelines wit h NPAIRS and second－level CVA ［J］.Magnetic Resonance Imaging，2009，27：264－278.

［28］Beissner F，Henke C.Met hodological pr oblems in FMRI studies on acupuncture：a critical review wit h special emphasis on visual and auditory cortex activations［J］.ECA M，2011，154：1－7.

［29］徐春生，李传富，杨骏，等 .样本量大小对针刺脑功能成像激活区定位的影响［J］.中国中西医结合影像学杂志，2011，9（4）：289－292.

［30］徐春生，李传富，杨骏，等 .针刺脑功能成像的个体差异初步研究 ［J］.中国针灸，2012，32（1）：69－74.

［31］Anderson B，Nielsen A，Mc Kee D，et al.Acupunct ure and heart rate variability：a systems level approach to understanding mechanism ［J］.Explore，2012，8：99－106.

［32］Atlas LY，Wager TD.Ho w expectations shape pain［J］.Neuroscience Letters，2012，520：140－148.

［33］Fas mer OB，Liao H，Huang Y，et al.A naturalistic st udy of the effect of acupuncture on Heart－Rate Variability ［J］.J Acupunct Meridian St ud，2012，5：15－20.