建立BOLD及MRS多模态fMRI针刺脑效应试验方案及其可行性研究

陈媛媛，赵彦萍，方继良*，钱天翼，洪 洋，柳桂勇，张国雷，王 珺，王 寅，刘 勇，徐凯彬，李小娇

(1.中国中医科学院广安门医院放射科，3.针灸科，北京 100053；2.西门子医疗系统有限公司东北亚MR协调部，北京 100102；4.中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心，北京 100190)

MRI因其无辐射并可获得高分辨率的解剖和功能图像，已广泛应用于针灸脑机制的研究。针刺时脑内可诱发明显的正激活或负激活信号，负激活现象主要分布在边缘叶—旁边缘叶—新皮层网络，其中前额叶内侧皮层(medial prefrontal cortex， MPFC)有显著的负激活改变，此脑区与情志、疼痛调节等相关[1-4]。动物实验[5]表明，这种负激活信号的改变与神经的新陈代谢的抑制相关。但这种脑激活效应是否存在相应的神经递质变化，还需深入研究。本研究联合采用BOLD-fMRI及MRS技术，建立正负激活定量计算方法，获得脑激活综合值，并计算γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid, GABA)定量值，旨在验证本研究建立的多模态技术方案的有效性和可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2015年9月—12月健康志愿者20名，男4名，女16名，年龄20～30岁，平均(24.5±1.4)岁。纳入标准：①右利手；②无fMRI禁忌证：③均为医科大学在读本科生及研究生，既往无明确脑外伤及脑疾病，无癫痫、抑郁、焦虑、失眠等神经精神疾病病史。本研究通过医院伦理委员会审核通过，受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0T MR扫描仪，20通道头线圈，一次性针灸针(规格0.4 mm×25 mm，苏州医疗用品厂有限公司)。MR扫描顺序依次为全脑三维高分辨率T1WI、BOLD静息态fMRI、任务前MRS、BOLD任务态fMRI、任务态MRS。

全脑三维高分辨率T1WI采用MPRAGE序列，TR 15 ms，TE 6.9 ms，翻转角15°，FOV 256 mm×256 mm，矢状位扫描196层，层厚1 mm，无间隔。

采用同时多层EPI序列，TR 750 ms，TE 30 ms，翻转角90°，矩阵70×70，FOV 210 mm×210 mm，层厚3 mm，无间隔层间距，共扫描48层，体素大小3 mm×3 mm×3 mm，共扫描 6 min 46 s。全脑轴位扫描平行于前后联合连线，包括小脑和脑干，空扫30 s，以减少早期受试者不适应而影响脑功能变化。嘱受试者扫描时闭眼、不睡觉、不专注思维。BOLD任务态扫描参数同静息态。对志愿者手针针刺。刺激方法：针刺受试者右侧合谷穴，询问有无针感或异常感觉。嘱受试者闭眼静息，针灸师戴耳机，听取医师口令，3次捻针，平补平泻，频率60次/分，每次持续30 s，为保证刺激后时间信号曲线返回到基线水平，根据既往试验结果，2次捻针间隔为2 min，见图1。

图1 针刺Block设计方案

MRS扫描采用J差分点分辨波谱(J-different edited point resolution spectroscopy， MEGA-PRESS)序列，TR 2 000 ms，TE 68 ms，Averages 128，编辑脉冲频率1.9 ppm，编辑中心频率4.7 ppm，共扫描8 min 40 s。波谱扫描前匀场，全宽半高小于30。MRS定位框大小35 mm×30 mm×25 mm，位于双侧MPFC，垂直于前后联合连线的平行线(长方体后壁的中点位于胼胝体尖端，图2A)，扫描时设置饱和带，位于定位框的前、上、下位置，以减少伪影及增加扫描成功率。任务态MRS扫描参数同任务前MRS，刺激的组块设计与任务态BOLD扫描一致，针灸师再次对受试者进行3次合谷穴刺激，方法同BOLD任务态。

1.3 数据分析

1.3.1 MRS 将MRS原始数据先转化为*.rda格式，采用LC Model软件行后处理[6]，GABA波峰位于3.0 ppm处，获得GABA浓度定量数据及曲线。

1.3.2 fMRI 将fMRI原始数据转换为*.nii格式，采用SPM 12软件行预处理，包括头动校正、标准化及平滑。采用一般线性模型建模，个体水平统计推断P值为0.05。采用xjView软件查看脑区正激活、负激活的位置及强度。

在Matlab平台，采用SPM 12软件分割高清三维T1WI图像的灰质、白质和脑脊液。将所有受试者灰质图进行变形，标准化到蒙特利尔空间，ROI体素大小定义为1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm，计算获得ROI的灰质体积分数。分别计算ROI灰质的BOLD正、负激活的体素数量及平均峰值(超过阈值的平均值，阈值P=0.05，T=1.6479)，根据公式计算正激活和负激活所有体素的平均激活综合值(Pm)，公式为：

Va表示正激活体素数量，Pa表示正激活平均峰值，Vd表示负激活体素数量，Pd表示负激活平均峰值。Pm为正值为正激活值，Pm为负值则为负激活值。

2 结果

20名受试者均完成了BOLD扫描，图像头动范围小于1.5 mm，均符合后处理要求。排除MRS波谱曲线不稳定的1名受试者，9名受试者曲线稳定，纳入研究。

2.1 BOLD信号定量结果 20名受试者中，9名受试者呈正激活，Pm平均定量值为1.17±0.16；11名受试

者呈负激活，Pm平均定量值为-1.31±0.17。见图2B。

2.2 GABA定量结果 9名MRS结果合格的受试者中5名受试者Pm<0，呈负激活，其中4名受试者GABA浓度在针刺后下降，1名受试者GABA浓度在针刺后升高；4名受试者Pm>0，呈正激活，其中3名受试者GABA浓度在针刺后升高，1名受试者GABA浓度在针刺后降低。9名受试者针刺前GABA平均浓度为(19.93±1.04)nmol/L，针刺后平均浓度为(20.04±0.81)nmol/L，针刺前、后GABA差值平均为(0.11±1.60)nmol/L。见图2C。

3 讨论

3.1 研究基础 MRS是目前唯一可无创性定量分析活体内某一特定组织区域化合物的检查技术。GABA是神经系统最重要的抑制性神经递质，由谷氨酸通过谷氨酸脱羧酶的作用合成[7]，在大脑中的含量较低，且与其他代谢物的共振峰重叠，因此需采用特殊的MEGA-PRESS序列采集[8]。该方法可区分浓度较低的GABA与谷氨酸或谷氨酰胺(Glx)，已成功应用于评估脑区GABA的浓度，包括额叶、顶叶等[9-11]。另外，MRS已经有较成熟的后处理软件，其中LC Model方法及所处理的数据结果已被广泛认可[12]。

目前，BOLD-fMRI结合MRS的定量研究方法尚未广泛开展。本研究将BOLD正、负激活信号在ROI内进行综合定量。Northoff等[13]对12名健康受试者采用BOLD-fMRI结合MRS扫描，在情绪图片刺激和静息两种状态下，观察右侧前扣带回(anterior cingulate cortex， ACC)中负激活与GABA浓度的关系，将ROI定位于右侧MPFC，结果显示ACC中GABA的浓度与相同区域的BOLD负激活具有相关性，提示情绪中枢的默认模式网络脑区ACC的BOLD负激活效应可能由GABA介导。Duncan等[14]对13名健康受试者进行fMRI与MRS结合的方法扫描，受试者接受同情任务、奖赏任务后行MR扫描，ROI定位于上前扣带皮质层(perigenual anterior cingulate cortex, pgACC;20 mm×10 mm×20 mm)、亚属前扣带皮层(subgenus anterior cingulate cortex, sgACC;20 mm×10 mm×20 mm)、左前岛叶(对照，15 mm×10 mm×20 mm)，结果显示任务引起pgACC的BOLD负激活效应与任务诱发sgACC的BOLD正激活效应相互作用，进一步证实脑区间的连接与谷氨酸浓度，特别是pgACC中的谷氨酸浓度有关。

图2 14号受试者，男，23岁 A.MRS定位图，红色为ROI； B.BOLD任务态针刺结果脑功能激活图，红色表示正激活，蓝及绿色表示负激活，箭示MPFC和前扣带回喙部，为主要负激活区域； C.MRS波谱图，GABA波峰位于3.0 ppm处(箭)

本研究与既往研究[13-14]所分析的脑区相似，均围绕ACC，探索ACC中BOLD任务态正、负激活与神经递质(GABA/谷氨酸)浓度变化的相关性；但受试者接受任务不同，本研究采用任务为针刺右侧合谷穴位捻针，探讨针刺引起的负激活效应的GABA基础。

3.2 穴位及ROI的选择 Hui等[2]研究手针针刺合谷穴、足三里穴、太冲穴的fMRI脑功能成像，结果显示，明显的负激活脑区主要位于双侧MPFC、前扣带回、下丘脑、壳核、海马、杏仁核、网状结构等；3个穴位中，针刺合谷穴产生最广泛、最强的负激活效应，主要位于MPFC/ACC头部。随后，在手针捻针的研究[3-4]中也发现，边缘叶—旁边缘叶—新皮层网络表现为明显的负激活，其中MPFC/ACC头部负激活最为明显。提示MPFC/ACC是重要的情绪、疼痛等调控中枢，是针刺治疗抑郁、焦虑、急慢性疼痛的关键脑区。因此本研究选择合谷穴，ROI选择双侧MPFC。

3.3 扫描序列顺序 2007年Fusumada等[15]对18只Wistar大鼠双侧足三里穴进行电针刺激，与7只非足三里穴大鼠对照，均采用电针仪刺激20 min，频率为2 Hz，强度2 mA；结果显示实验组大鼠脑导水管周围灰质(periaqueduetal gray, PAG)背侧GABA增加。唐毓环等[16]对17只大鼠双侧足三里穴电针刺激15 min，以疏密波电流刺激，强度2～3 V，舒波频率16 Hz，密波频率44 Hz；结果显示电针刺激足三里穴引起痛阈明显上升，电针组缰核GABA含量高于对照组，谷氨酸含量无差异，提示GABA含量在针刺15～20 min可发生变化。本研究中扫描BOLD任务态及任务态MRS时按Block设计，在合谷穴捻针刺激，两个序列扫描时间共约15 min(6 min 46 s+8 min 40 s)，再加上两个序列之间需要MRS重新定位、测试匀场约5 min，因此本研究设计的MRS扫描时间为针刺后20 min左右，可测得GABA值在针刺前后的变化。

3.4 MRS的优化方案 本研究11名受试者的MRS波谱曲线不稳定，后经反复测试调整，9名受试者曲线稳定，纳入研究。笔者认为MRS扫描对磁场均匀性要求较高，定位时应尽量避开脂肪、血管、颅骨、脑室等结构[17]。本研究初期扫描过程中发现金属、假牙、染发、头部外伤等对匀场产生明显的不利影响，后在受试者录入时，询问相关情况，避免以上因素的干扰，节约匀场达到合格的时间，提高了MRS的精确性。

总之，本研究建立了多模态(BOLD-fMRI及MRS)的脑功能定量研究方法，成功率较高，检测到针刺时ROI的多模态脑功能变化，并可计算获得定量结果，在针刺脑效应机制研究上具有可行性。

[1] Hui KK, Liu J, Makris N, et al. Acupuncture modulates the limbic system and subcortical gray structures of the human brain: Evidence from fMRI studies in normal subjects. Hum Brain Mapp, 2000,9(1):13-25.

[2] Hui KK, Liu J, Marina O, et al. The integrated response of the human cerebro-cerebellar and limbic systems to acupuncture stimulation at ST36 as evidenced by fMRI. Neuroimage, 2005,27:479-496.

[3] 方继良，金真，王寅，等.针刺太冲及其邻近穴脑反应区功能磁共振成像比较.中国医学影像技术，2005,21(9):1332-1336.

[4] Fang J, Jin Z, Wang Y, et al. The salient characteristics of the central effects of acupuncture needling: Limbic-paralimbic-neocortical network modulation. Hum Brain Mapp, 2009,30(4):1196-1206.

[5] Stefanovic B, Warnking JM, Pike GB. Hemodynamic and metabolic responses to neuronal inhibition. Neuroimage, 2004,22(2):771-778.

[6] McLean MA, Woermann FG, Barker GJ, et al. Quantitative analysis of short echo time1H-MRSI of cerebral gray and white matter. Magn Reson Med, 2000,44(3):401-411.

[7] Cawley N, Solanky BS, Muhlert N, et al. Reduced gamma-aminobutyric acid concentration is associated with physical disability in progressive multiple sclerosis. Brain, 2015,138(Pt 9):2584-2595.

[8] Near J, Evans CJ, Puts NA, et al. J-difference editing of gamma-aminobutyric acid (GABA): Simulated and experimental multiplet patterns. Magn Reson Med, 2013,70(5):1183-1191.

[9] Rojas DC, Singel D, Steinmetz S, et al. Decreased left perisylvian GABA concentration in children with autism and unaffected siblings. Neuroimage, 2014,86:28-34.

[10] Bai X, Edden RA, Gao F, et al. Decreased γ-aminobutyric acid levels in the parietal region of patients with Alzheimer's disease. J Magn Reson Imaging, 2014,41(5):1326-1331.

[11] Gao F, Edden RA, Li M, et al. Edited magnetic resonance spectroscopy detects an age-related decline in brain GABA levels. Neuroimage, 2013,78:75-82.

[12] 任延德,龙莉玲,李向荣,等.磁共振波谱MEGA-PRESS序列检测正常人纹状体γ-氨基丁酸.中国医学影像技术,2015,31(12):1787-1791.

[13] Northoff G, Walter M, Schulte RF, et al. GABA concentrations in the human anterior cingulate cortex predict negative BOLD responses in fMRI. Nat Neurosci, 2007,10(12):1515-1517.

[14] Duncan NW, Enzi B, Wiebking C, et al. Involvement of glutamate in rest-stimulus interaction between perigenual and supragenual anterior cingulate cortex: A combined fMRI-MRS study. Human Brain Mapping, 2011,32(12):2172-2182.

[15] Fusumada K, Yokoyama T, Miki T, et al. c-Fos expression in the periaqueductal gray is induced by electroacupuncture in the rat, with possible reference to GABAergic neurons. Okajimas Folia Anat Jpn, 2007,84(1):1-9.

[16] 唐毓环，潘玉贞，刘国君，等.γ-氨基丁酸与针刺镇痛.白求恩医科大学学报,1988,14:490-492.

[17] 谭绍恒，梁长虹，郑君惠，等.匀场效果对3.0T质子磁共振波谱水抑制及代谢物定量的影响.中国医学影像技术,2010,26(2):369-371.

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