基于局部一致性算法的周围性面瘫针刺治疗静息态功能MRI研究

刘军平，徐春生，卢琦，李传富*，杨骏

1.安徽中医药大学第一附属医院影像中心，合肥 230031

2.安徽中医药大学第一附属医院针灸康复科，合肥 230031

针刺作为医学上的一种替代和补充治疗干预方法，疗效显著[1]，它是临床上治疗面瘫的常用方法，但针刺治疗疾病的现代作用机制不甚明确且仍有争议[2]。功能性MR成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)具有无创性、较高的空间分辨率等优点，可以客观可视化地进行针刺作用机制研究。静息态下的功能模式涉及人脑的可塑性演化过程，具有重要的临床研究意义[3]。Zang等[4]提出的ReHo分析方法，是利用肯德尔和谐系数(Kendall’s coefficient of concordance,KCC)检测出静息状态下持续活动的脑区与邻近脑区时间序列的同步性的程度，通过分析脑区自发神经活动的一致性，推断相应脑区的功能，现已被广泛应用于fMRI的研究中。本研究中，笔者利用ReHo分析方法，研究在静息状态下周围性面瘫患者临床针刺治疗不同病程状态下的脑区ReHo变化特点，探讨针刺治疗周围性面瘫的可能中枢整合机制。

图1 面瘫早期组与健康对照组组间比较分析结果(P≤0.005，α≤0.01，cluster=20；3D图方位标记，A：表面观；B：俯瞰图；C：内侧面观)SFG：额上回；Cun：楔叶；PreC：楔前叶；PCC：后扣带回；ITG：颞下回；IFG：额下回；STG：颞上回；MFG：额中回 图2 面瘫后期组与健康对照组组间比较分析结果(P≤0.005，α≤0.01，cluster=20；3D图方位标记，A：表面观；B：俯瞰图；C：内侧面观)IFG：额下回；Cun：楔叶；STG：颞上回；SFG：额上回； PreC：楔前叶；PCL：中央旁小叶 图3 面瘫治愈组与健康对照组组间比较分析结果(P≤0.005，α≤0.01，cluster=20；3D图方位标记，A：表面观；B：俯瞰图；C：内侧面观)。PCL：中央旁小叶；STG：颞上回；FG：梭状回Fig.1 Intergroup comparison analysis results between the early group and the normal group(P≤0.005,α≤0.01,cluster=20,corrected with the Monte Carlo method.A:surface view.B:aerial view.C:medial view).SFG,superior frontal gyrus.Cun:cuneus.PreC:precuneus.PCC:posterior cingulate gyrus.ITG:inferior temporal gyrus.IFG:inferior frontal gyrus.STG:superior temporal gyrus.MFG:middle frontal gyrus.Fig.2 Intergroup comparison analysis results between the later group and the normal group(P≤0.005,α≤0.01,cluster=20,corrected with the Monte Carlo method.A:surface view.B:aerial view.C:medial view).IFG:inferior frontal gyrus.Cun:cuneus.STG:superior temporal gyrus.SFG:superior frontal gyrus.PreC:precuneus.PCL:paracentral lobule.Fig.3 Intergroup comparison analysis results between the recovered group and the normal group(P≤0.005,α≤0.01,cluster=20,corrected with the Monte Carlo method.A:surface view.B:aerial view.C:medial view).PCL:paracentral lobule.FG:fusiform gyrus.STG:superior temporal gyrus.

1 材料与方法

1.1 研究对象

研究对象分面瘫组(47例)和健康对照组(32名)。面瘫组均来自安徽中医药大学第一附属医院患者，无吸毒史、无精神疾病、无中枢神经系统或其他严重的疾病，依病程及House-Brackmann面瘫分级分为面瘫早期组(34例，男20例，女14例，年龄范围19～70岁，病程＜14 d且面瘫分级＞Ⅰ级，左侧面瘫19例，右侧面瘫15例)、面瘫后期组(29例，男19例，女10例，年龄范围19～68岁，病程＞14 d且面瘫分级＞Ⅰ级，左侧面瘫15例，右侧面瘫14例)及面瘫治愈组(34例，男18例，女16例，年龄范围19～66岁，面瘫分级=Ⅰ级，左侧面瘫14例，右侧面瘫20例)。部分患者多次参与MRI扫描，分别是临床针刺治疗前、治疗过程中、恢复后。治疗前获取fMRI数据为患者没有进行任何的针刺治疗，之后，患者接受针刺治疗每星期3次，每个患者依个体临床症状不同针灸科医师给予合谷穴针刺、配合其他穴位，进行半个性化针刺治疗。由于患者的顺应性不同，他们所参与的实验次数是不一样的，47例患者，23例患者参与2次，22例患者参与3次，2例患者参与4次。健康对照组(32名)，为在校健康大学生、硕士研究生或医院职工，其中男13名，女19名，年龄范围18～54岁，仅参与一次实验。所有对象经标准中文版利手评价表测试均为右利手[5]。本研究为安徽中医药大学第一附属医院伦理委员会批准。实验前所有受试者均签订知情同意书。

1.2 数据采集

实验使用一台Simens Symphony 1.5 T超导型MR扫描机，使用标准头部线圈进行扫描。共依次扫描以下5个序列：(1)定位像；(2)T2WI用于排除脑内有无病变；(3)T1WI 2D解剖像，取与前后联合连线(AC-PC线)平行的横轴位，共36层，扫描范围包括全脑，采用自旋回波T1加权序列，TR 500 ms，TE 12 ms，FA 90°，FOV 230 mm×230 mm，SL 3.0 mm，层间距 0.75 mm，分辨率192×144；(4)静息态序列，采用EPI BOLD序列，扫描方位和层数与2D解剖像相同，TR 3000 ms，TE 30 ms，FA 90°，SL 3.0 mm，层间距0.75 mm，FOV 192 mm×192 mm，分辨率64×64；(5)T1WI 3D解剖像：取矢状面，共扫描176层，采用扰相梯度回波序列，TR 2100 ms，TE 3.93 ms，TI 1100 ms，FA 13°，FOV 250 mm×250 mm， SL 1.0 mm，层间距 0.5 mm，分辨率256×256，扫描范围覆盖全脑。完成全部扫描数据采集共需约30 min。

1.3 数据处理

预处理：实验数据处理在安徽中医药大学第一附属医院数字化影像技术实验室进行。采用在LINUX系统中运行的功能性神经影像分析软件AFNI(http://afni.nimh.nih.gov/)处理脑功能数据，先对每个被试fMRI数据进行格式转换，即将保存在PACS系统中的DICOM格式的图像文件转换为AFNI数据处理需要的nii格式；再去除前4个时间点的图像以排除干扰，进行头动校正，即去除平移＞2 mm(或)转动＞2°的数据；对功能像数据进行重采样，将图像配准到TT标准空间上；然后进行去线性漂移处理，再以脑白质和脑脊液区域的时间序列信号进行线性拟合，将脑白质和脑脊液的信号从总体信号中去除，消除其影响；随后进行频域滤波以去除生理噪音，提取频率范围0.01～0.08 Hz的信号，再将所有右侧面瘫大脑半球均沿y轴镜像翻转。

ReHo分析：计算出全脑每个体素与其周围相邻的26个体素在时间序列上的一致性，得到该体素的肯德尔和谐系数(KCC)，将每个体素的KCC值除以全脑所有体素KCC均值而得到平均的ReHo图，然后对平均ReHo图以8 mm×8 mm×8 mm全宽半高(FWHM)的高斯参数进行平滑，得到的结果进入下一步统计。

1.4 统计学分析

组间分析：将周围性面瘫临床针刺治疗不同病程状态(面瘫早期组、后期组及治愈组)与健康对照组分别进行组间分析(3dttest)，得出两组之间的统计学差异，最后对组间分析结果进行Monte Carlo阈值校正，P≤0.005，计算出α≤0.01的最小数据簇大小(cluster size)，得出周围性面瘫临床针刺治疗不同病程状态(面瘫早期组、后期组及治愈组)与健康对照组静息态ReHo存在差异的脑区，显示激活区，统计并记录激活区的位置、信号类型。

2 结果

(1)面瘫早期组ReHo增高的脑区有右侧额上回、额中回、额下回，左侧楔前叶、后扣带回和颞上回，ReHo值减低脑区有右侧颞下回、楔叶和楔前叶(图1，表1)。(2)面瘫后期组ReHo增高的脑区有左侧SII、颞上回、额上回、中央旁小叶、楔叶、楔前叶和右侧额下回，未见ReHo值减低脑区(图2，表2)。(3)面瘫治愈组ReHo增高的脑区有左侧中央旁小叶、梭状回和颞上回，未见ReHo值减低脑区(图3，表3)。

表1 面瘫早期组与健康对照组组间比较ReHo结果Tab.1 The ReHo results of intergroup comparison analysis between the early group and the normal group

表2 面瘫后期组与健康对照组组间比较分析ReHo结果Tab.2 The ReHo results of intergroup comparison analysis between the later group and the normal group

表3 面瘫治愈组与健康对照组组间比较分析ReHo结果Tab.3 the ReHo results of intergroup comparison analysis between the recovered group and the normal group

3 讨论

面瘫的病理表现是单纯周围神经传出功能障碍(传入功能正常)，其最明显的特征是面部运动功能丧失而感觉功能不受影响，脑神经核团不能支配面部肌肉运动，但是能够收到面部肌肉的感觉信息[6]。大脑功能极其丰富且复杂，其中一个最显著的特征是能够适应新的环境和新的信息，有研究报道大脑皮层功能重组在面瘫运动功能恢复中发挥着重要的作用[7]。既往针刺面瘫患者的fMRI研 究[8]推测针刺强化了感觉运动皮层之间的相互联系，促进了面瘫患者大脑皮层的重组，另外有研究[9-10]表明针刺后大脑功能连接状态是有变化，针刺在面瘫患者所发挥的作用与疾病的病理状态有关。大脑皮层功能重组是一个多层次、多水平的复杂恢复过程。到目前为止，对脑卒中运动功能恢复的机制研究比较多，大致有3种[11-12]，即：辅助运动区的激活、健侧大脑半球的代偿、病灶周围的重组。笔者推测周围性面瘫患者针刺治疗也是通过同侧大脑半球的代偿、运动前区及辅助运动区的代偿，以及其他脑区神经元的活动来协同整合完成的。

3.1 同侧大脑半球的代偿

本研究结果显示早期组ReHo增高的区域分布在左右大脑半球，但到了面瘫后期组，ReHo增高的区域分布集中在左侧大脑半球，治愈组的信号异常区域减少，但仍然分布在左侧大脑半球，治疗前后存在着一个动态的变化过程。先前研究[13]结果显示：正常情况下，人体的神经纤维除大部分在大脑皮层发出后进行交叉，并对各种活动产生对侧支配外，还有一小部分的神经纤维从皮层发出后未交叉，对各种活动产生同侧支配。但这种同侧支配作用正常情况下显现不明显，一旦对侧神经纤维损伤或连接中断时，这些未交叉的纤维同侧支配作用就显现出来。在正常情况下，左侧面肌的运动是靠右侧大脑半球的运动神经元支配，笔者推测当发生左侧面瘫时，右侧大脑感觉运动网络中断，负责左侧面肌感觉和运动功能的右侧初级感觉皮层(SⅠ)和右侧初级运动皮层(MI)无法完成其正常功能，左侧的相应皮层为了代偿右侧大脑半球的功能，而调动这部分未交叉的支配功能，完成各种执行活动，以促进其功能恢复，这与先前研究报道结果一致[14]。本研究结果显示面瘫后期ReHo增强的区域都集中在左侧大脑半球，也证明了这一点，治愈后ReHo增强的区域仍然在左侧大脑的少许区域，表明面瘫治愈后，左侧半球仍发挥着部分的代偿作用，这与Klingner等[15]的研究一致，即在面瘫患者临床痊愈后，大脑皮层的重组依然部分存在，笔者推测这或许就是针刺治疗周围性面瘫的一个重要的内在机制。

3.2 运动前区(PMA)及辅助运动区(SMA)的代偿

周围性面瘫患者临床针刺治疗不同病程状态(早期组、后期组及治愈组)可见多个脑区ReHo的增高，与健康志愿者相比有显著差异，且多位于运动前区(额上回、额中回)、辅助运动区(中央旁小叶)，默认模式网络(楔前叶、后扣带回)、SⅡ、楔叶及颞上回，仅在面瘫早期组右侧颞下回、楔叶及楔前叶ReHo减低，治愈组与健康志愿者有显著差异的脑区明显减少，具有重要的临床意义。位于中央前回前方的额上回以及额中回为PMA，它是管理躯体运动的高级神经中枢，主要负责复杂运动的协调，执行与随意运动相关的高级运动功能；SMA即在大脑半球内侧面的6区，为背外侧面运动前区在大脑半球内侧面的延伸，位于大脑半球内侧面旁中央小叶的前方，该区有躯体运动和内脏运动功能，并发出纤维加入锥体束。有研究表明，在正常情况下，以上运动区域不发挥或仅发挥很少的作用，当发生周围性面瘫后，主要运动功能皮层或其通路受损伤，这些区域都有纤维参与到皮质脊髓中，重新组成一个强大的运动网络，参与周围性面瘫患者运动的代偿作用[16]，先前合谷穴针刺周围性面瘫的研究[8]发现面瘫患者PMA与MI和SⅠ的功能连接增强，推测很可能是中枢性神经系统的一种代偿性机制。本研究结果发现面瘫早期组及后期组PMA、SMA区域ReHo增强，也证明了这一点。面瘫治愈组未见PMA区域ReHo的增高，仅见SMA区域ReHo的增高，推测可能是随着患者针剌的治疗，患侧面肌运动得到改善，右侧大脑半球的功能连接恢复，不再完全依赖于左侧半球PMA、SMA区的代偿，使之部分区域代偿作用减退、消失，这可能是周围性面瘫恢复的机制之一。本研究结果也进一步验证了周围性面瘫后大脑运动皮质功能重组的客观存在。通过周围性面瘫患者针刺治疗不同病程状态的比较，推测运动前区、辅助运动区很可能是周围性面瘫患者脑功能重组及代偿的关键区域，也是针刺治疗周围性面瘫患者重要的调制和关键代偿区域，在周围性面瘫患者面肌运动功能恢复中起着重要的作用。

3.3 其他脑区的协同整合作用

其他几个脑区也出现了不同程度ReHo的增高，其中楔前叶、后扣带回是大脑默认模式网络(DMN)的重要组成部分，楔前叶的功能包括视空间意象、情景记忆提取及维持觉醒、自我意识及情感处理等[17]，后扣带回在情绪活动的调控中也起着重要的作用，周围性面瘫发病早期情绪失调，于是主要发挥情绪处理及意识功能的楔前叶及调控情绪活动的后扣带回表现出ReHo的增强，而在面瘫后期组以上区域仅有楔前叶ReHo的增高，到了治愈组这些区域未见ReHo的增高，笔者推测针刺可以诱导大脑默认网络发生改变，这可能是针刺治愈周围性面瘫的中枢机制之一。SⅡ在大脑感觉信息处理中起到辨别和整合作用[18]。本实验中，面瘫后期左侧SⅡ ReHo明显增高，也即这些脑区局部神经元功能活动在时间上一致性程度较高，推测针刺效应强化了SⅡ的整合能力，以达到弱化或增强与相应皮层的功能连接，促进脑功能重组，而实现针刺治疗周围性面瘫的目的。额下回隶属于前额叶皮质，几乎与大脑各部分均有广泛的连接，与情绪的调节密切相关[19]，面瘫患者常常会有一些情绪的障碍(诸如面瘫后抑郁和焦虑等)，实验中发现额下回在面瘫早期或后期组ReHo均有明显的增高，我们推测与这些脑区可能与周围性面瘫患者存在的负性情绪调节的加强有关。

本研究存在一定的局限性。一般面瘫患者具有自然治愈的倾向，本实验由于伦理学等限制未能设置空白对照组，导致了研究结果可能存在的混杂因素，在以后的研究中，将会增加西医治疗作为对照组，使研究更加深入、准确。

综上所述，不难看出在静息状态下周围性面瘫患者治疗前及针刺治疗过程中需要多个不同的脑功能区域相互作用、互相协调，共同发挥其运动功能和代偿作用以促进运动功能的恢复。左侧大脑半球的代偿功能，特别是左侧大脑PMA、SMA相关脑区，在左侧面瘫恢复过程中发挥着重要作用，PMA、SMA相关脑区的代偿和协调整合可能是针刺治疗周围性面瘫的中枢机制。

[References]

[1]Vanderploeg K,Yi X.Acupuncture in modern society.J Acupunct Meridian Stud,2009,2(1):26-33.

[2]Pandolfi M.The autumn of acupuncture.Eur J Intern Med,2012,23(1):31-33.

[3]Deng XX,Jiang W,Wang J,et al.Investigation of brain motor functional connectivity in ischemic stroke patients after rehabilitative treatment with resting-state functional MRI.Chin J Magn Reson Imaging,2010,1(1):11-14.邓小湘,蒋雯,王君,等.利用静息态功能磁共振成像研究缺血性脑卒中患者康复治疗后运动功能网络连接的变化.磁共振成像,2010,1(1):11-14.

[4]Zang Y,Jiang T,Lu Y,et al.Regional homogeneity approach to fMRI data analysis.Neuroimage,2004,22(1):394-400.

[5]Oldfield RC.The assessment and analysis of handedness:the Edinburgh inventory.Neuropsychologia,1971,9(1):97-113.

[6]Klingner CM,Volk GF,Maertin A,et al.Cortical reorganization in Bell’s palsy.Restor Neurol Neurosci,2011,29(3):203-214.

[7]Klingner CM,Volk,Brodoehl S,et al.Time course of cortical plasticity after facial nerve palsy:a single-case study.Neurorehabil Neural Repair,2012,26(2):197-203.

[8]Yang J,Li CF,Zhang QP,et al.Preliminary data analysis of fMRI in patients with peripheral facial palsy treated with Hegu acupuncture.J Changchun University Traditional Chin Med,2012,28(4):608-610.杨骏,李传富,张庆萍,等.合谷穴针刺周围性面瘫患者脑功能成像初步分析.长春中医药大学学报,2012,28(4):608-610.

[9]Li C,Yang C,Sun J,et al.Brain responses to acupuncture are probably dependent on the brain functional status.Evid Based Complement Alternat Med,2013,2013:175278.

[10]He X,Zhu Y,Li C,et al.Acupuncture-induced changes in functional connectivity of the primary somatosensory cortex varied with pathological stages of Bell’s palsy.Clin Neur,2014,25(14):1162-1168.

[11]Yamamoto S,Takasawa M,Kajiyama K,et al.Deterioration of hemiparesis after recurrent stroke in the unaffected hemisphere:three further cases with possible interpretation.Cerebrovasc Dis,2007,23(1):35-39.

[12]Feydy A,Carlier R,Roby-Brami A,et al.Longitudinal study of motor recover after stroke:recruitment and focusing of brain activation.Stroke,2002,33(6):1610-1617.

[13]Yousry L,Naidich TP,Yonsry TA.Functional MRI:factors modulating the cortical activeation pattern of the motor system.Neuroimaging Clin N Am,2001,11(2):195-202.

[14]Zhu YF,Li CF,Xu CS,et al.The study of resting-state fMRI in peripheral facial paralysis.Chin Imaging J Integrat Traditional West Med,2012,10(2):101-104.朱一芳,李传富,徐春生,等.周围性面瘫患者的静息态脑功能成像分析.中国中西医结合影像学杂志,2012,10(2):101-104.

[15]Klingner CM,Volk GF,Maertin A,et al.Cortical reorganization in Bell’s palsy.Restor Neur Neurosci,2011,29(3):203-214.

[16]Grefkes C,Nowak DA,Wang LE,et al.Modulating cortical connectivity in stroke patients by rTMS assessed with fMRI and dynamic causal modeling.Neuroimage,2010,50(1):233-242.

[17]Cavanna AE,Trimble MR.The precuneus:a review of its functional anatomy and behavioural correlates.Brain,2006,129(3):564-583.

[18]Torquati K,Franciotti R,Della Penna S,et al.Conditioning transcutaneous electrical nerve stimulation induces delayed gating effects on cortical response:a magnetoencephalographic study.Neuroimage,2007,35(4):1578-1585.

[19]Phan L,Wager T,Taylor SF,et al.Functional neuroanatomy of emotion:a meta-analysis of emotion activation studies in PET and fMRI.Neuroimage,2002,16(2):331-348.