针刺手法效应规律及神经电信息机制研究

刘阳阳 郭义 郭永明

摘要 针刺手法是影响针刺疗效的关键，然而其作用规律、机制尚不完全清楚。天津中医药大学实验针灸学研究中心郭義教授团队与天津大学电气自动化与信息工程学院王江教授团队，长期以来围绕针刺手法作用规律及神经电信息机制开展合作研究，构建了常见针刺手法的数学模型，用数学语言解析了针刺手法操作过程，实现了针刺手法的科学表征;揭示了基于神经电信息的针刺手法部分作用规律;刻画了针刺手法电信号的非线性动力学特征，明确不同针刺手法诱发神经电信息编码存在差异，是针刺手法效应差异的机制之一。研究成果为针刺手法的科学性奠定了提供了实验依据，对针刺手法的传承、应用和发展具有促进作用。

关键词 针刺手法;神经电信号;非线性动力学;针刺效应;数学模型

Abstract Acupuncture manipulation （MA） is a key factor to acupuncture effect. However， the effect regularity and mechanism of MA are not clear. Professor GUO Yi′s team in Research Center of Experimental Acupuncture Science of Tianjin University of traditional Chinese medicine and Professor WANG Jiang′s team of School of Electrical and Information Engineering of Tianjin University have carried out cooperative research on the manipulation effect regularity and neural electric information mechanism of MA for a long time. The mathematical model of commonly used MA was established to depict the operation process of MA with mathematical language， which realized scientific representation of acupuncture. Part of the regularity of MA based on neural electric information has been revealed. The nonlinear dynamic characteristics of electric signals evoked by MA was described， and the differences of neural electric information coding induced by various MA was confirmed， which is one of the mechanisms of MA with different effects. These research results provide experimental basis for the scientificity of MA and promote the inheritance， application and development of MA.

Keywords Acupuncture manipulation; Neural electrical information; Nonlinear dynamics; Acupuncture effect; Mathematical model

针灸是中医学的重要组成部分，长期的临床实践证明针刺可以治疗多种疾病，疗效确切。针刺手法是针灸瑰宝中的瑰宝，是影响临床疗效的关键因素。大量研究表明，应用针刺手法可以提高针刺疗效[1-2]。然而有调查显示，针刺手法在临床中经常被应用的仅占44.3%[3]，究其原因，主要是针刺手法作为技术操作，长期以来缺乏客观量化标准，后学者难以掌握，且针刺手法的作用规律及机制尚未阐明。因此开展针刺手法的客观化研究，深入揭示针刺手法的作用规律、机制对于阐释针刺手法的科学内涵，提高针刺手法的应用水平，促进传统手针的发展具有重要意义。

天津中医药大学实验针灸学研究中心郭义教授团队致力于传统针刺手法的研究[4-8]，并与天津大学电气自动化与信息工程学院王江教授团队、上海中医药大学中医工程研究所杨华元教授团队合作，系统开展了针刺手法的电信息规律研究，共同承担国家自然科学基金重点项目（50537030）——针刺电信息传导及其作用规律研究，之后又先后承担了多项国家自然科学基金面上项目、青年基金、天津市自然科学基金等项目。研究成果获得中国中西医结合学会科学技术奖一等奖、教育部自然科学奖二等奖、教育部科技进步奖二等奖、上海市浦东新区科技进步奖二等奖等。本文从针刺手法的科学表征、效应规律及神经电信息机制3个方面，总结我们的研究成果，以期与同道学者交流和讨论，共同促进针刺手法的研究、传承和发展。

1 针刺手法的科学表征

针刺手法是在实践经验中总结出来的操作技术，自古以来是以师传或家族模式传承，主要以语言及示范性传授为主，缺乏客观化与量化，后学者难以掌握，一定程度上影响了针刺手法的传承与发展。近年来，许多专家研制了各种针刺手法参数仪，以客观显示针刺手法的操作波形[9]，本团队也在此基础上开展了相关工作。我们使用杨华元教授团队研制的ATP-Ⅱ型针刺手法参数测定仪，记录了46名具有5年以上工作经验的针灸学专业教师或针灸临床医师的4种针刺基本补泻手法（提插补法、提插泻法、捻转补法、捻转泻法）的手法波形，提取其特征参数，见图1，构建针刺手法参数数据库，并利用高斯逼近及核回归等进行数据分析，建立了针刺手法数学模型，见图2，用数学语言客观表征4种补泻手法，突破了传统的以手法操作形式来描述的方式，实现了针刺手法的数学语言表征[10]。见表1。这有利于深入了解针刺手法的操作内涵，比较手法之间的差异，并指导学习和研究。

2 针刺手法的效应规律

本团队构建了多模态、多尺度的不同针刺手法研究平台，刻画了针刺手法的时空效應，证明了应用手法对针刺效应影响显著，不同手法之间的针刺效应存在差异。

对视疲劳患者选取睛明、攒竹、风池、太阳、印堂、阳白、鱼腰、四白、外关9个穴位，应用传统针刺手法进行针刺，其中风池施以透眼热手法，印堂施以金钩钓鱼，攒竹、鱼腰、阳白施以喜鹊登梅，太阳施以二龙戏珠，外关施以青龙摆尾，睛明、四白守气不行手法，结果显示，眼针方治疗后眼周温度较针前明显升高。局部微循环血流效应表明，采用不同针刺手法（提插补法、提插泻法、捻转补法、捻转泻法及平补平泻）针刺正常人体足三里穴，均可使穴区局部微循环血流升高，但各手法之间差异有统计学意义，其中提插补泻法的效应优于捻转补泻法，且补法血流灌注量增加幅度优于泻法，提插补法引起的微循环血流升高最为明显[11]。见图3。

基于胃运动的效应规律表明，4种针刺手法（提插补法、提插泻法、捻转补法、捻转泻法）均可使红霉素所致的家兔实验性胃动过速模型和去甲肾上腺素所致的实验性胃动过缓模型的胃运动恢复到正常，且补法效应有优于泻法效应的趋势[12-13]。此外，我们还分别观察了不同频率的捻转以及提插手法（60次/min、120次/min、180次/min和240次/min）针刺阿托品致胃运动低下模型大鼠足三里穴对胃运动的恢复效应，其结果显示，不同刺激频率对胃运动均有一定的促恢复作用，但差异有统计学意义，其中低、中频刺激的效应优于高频刺激[14-15]。

基于镇痛的研究以急性胃扩张造成内脏痛模型，以胃扩张引起脊髓背角WDR神经元电信号增加作为疼痛评价指标，用不同频率的提插手法（30次/min、60次/min、120次/min和180次/min）刺激足三里穴，结果显示中、高频刺激对胃扩张引起电信号有抑制作用，说明高频刺激产生了镇痛作用，而低频刺激作用不明显[16]。见图4。此外，近期在CFA引起的大鼠炎性痛平台中，我们也观察到高频手法的针刺镇痛效应优于低频手法，这说明对于急性痛，强刺激的镇痛效应更加明显。如果以正常实验动物为研究对象观察针刺手法的效应差异，通常并不显著，这说明了针刺手法的调节作用在疾病状态下更为显著。且不同疾病状态，适宜刺激参数是不一样，从现有的研究来看，功能低下状态中、低频刺激效果更优，而对于急性痛症，高频刺激效果更好。

3 针刺手法的神经电信息机制

神经系统作为机体的快速响应系统，与针刺信息的传递和针效的发挥密切相关。神经元放电是神经系统进行信息传递的重要方式。动作电位以不衰减的方式长距离传播，使神经元实现生物电信息的长距离传播。在神经纤维上传播的动作电位序列中的每个脉冲是基本相同的，所传播的信息就编码在动作电位序列（包含放电的频率和时间模式）的各种放电节律中。在早期研究中，由于缺乏必要的手段和方法，往往认为放电节律中非周期的、不规则的电活动行为是由于神经元的内部和外部噪声引起的，从而不予以重视，许多信息未能得到充分挖掘与提取。随着非线性动力学的现代理论和方法在生物学研究中的广泛应用，为分析复杂的生物信号提供了有效的方法和手段。这就使得对以往实验中观察到的貌似随机的、非周期的、不规则的电活动的生物电信号有了全新的理解与认识。神经系统电活动的非线性特性赋予了神经系统在感觉、信息的传导、反射控制、运动、学习、判断等等功能方面许多生物特性[17]。

针刺是一种物理性刺激，激活神经末梢产生相应的神经动作电位，即针刺电信号，沿着一定的外周和中枢途径，传递到脑的高级部位，形成针感。这种电信号以时间/频率序列组合的编码形式发挥着对机体功能活动的整合与调控作用[18]。基于这一思路，我们开展了针刺手法的神经电信息机制研究。首先，明确了针刺足三里穴对胃功能调节的神经传导通路，然后应用不同针刺手法/频率刺激足三里穴，记录该神经传导通路上相关节点（背根神经、脊髓背角、迷走神经复核体、丘脑腹后外侧核）的电信号以及EEG信号，见图5，将混沌、分岔、信息熵、频谱分析、复杂网络等非线性分析方法引入针刺电信号的分析中，从电信息角度揭示针刺手法作用规律和机制。

3.1 针刺手法诱发的神经电信号具有混沌特性 利用关联维数、Lyapunov指数和Lempel-Ziv复杂度等非线性时间序列的分析方法度量不同针刺手法作用下的神经电信号复杂程度，证明了针刺神经电信号是具有典型非线性特征的混沌信号[24]。见图6。这排除了电信号的随机性，用非线性动力学的概念和术语描述和归纳其电信号的放电节律形式是适用的。进一步发现，随着刺激频率的增高，针刺引起的神经信号复杂度也逐渐增高;比较捻转法和提插法显示，在相同刺激频率下，提插法引起放电频率更高，电信号的复杂度也更高[19-23]，这提示了在相同刺激频率下，提插法对机体产生的效应可能更显著，这与穴区局部微循环的研究结果相呼应。

3.2 不同手法诱发的神经电信号存在差异 应用小波熵对针刺电信号的特征进行提取与分类，结合单位时间窗放电频率分析，显示出不同针刺手法神经电信号的差异[25]。见图7。基于编码统计量和非线性测度等量化指标如混沌吸引子、复杂度等，对不同频率针刺手法的电信号进行分析，也证明了不同针刺手法、不同针刺频率诱发的针刺神经电信号存在差异，且在脊髓背根神经、背角神经元、丘脑腹后外侧不同神经水平都显示出了差异[12-16]，这可能是针刺手法效应差异的机制之一。基于网络模型的研究，发现不同手法所对应的时空编码形式存在本质的差别，尤其是捻转法与提插法的编码形式差异较大，这种采用复杂网络映射的方法分析针刺神经电信号的方法，证明了捻转法和提插法2种针刺手法的内在特征是不同的。这种差异性体现在神经元对特定针刺手法的选择性，但对同一手法不同频率的针刺作用，这种编码选择性并不明显[26]。

3.3 针刺手法诱发的神经电信号存在饱和性 基于胃扩张状态下不同针刺频率诱发的脊髓背角WDR（Wide Dynamic Range，WDR）神经元的研究显示，120与180次/min均匀提插手法的差异很小，尤其是两者间放电频率非常接近，这说明当针刺频率超过120次/min时，神经系统对于不同频率针刺手法刺激可能存在饱和性[10]。在另一项基于脊髓背根神经电信号研究也呈现出类似结果，当针刺频率超过100次/min时，平均放电率不再明显增加，显示出神经系统对不同频率的针刺刺激具有饱和特性[27]。这提示当针刺超过一定频率后，针刺效应可能趋于相似，饱和效应产生的机制是什么，是否在高级中枢也存在，我们尚需再进一步明确。

3.4 针刺手法促使脑功能网络间信息交流增加 应用利用关联维数和基于递归图的确定性指标分析不同针刺手法的EEG信号，发现针刺可使大脑电活动复杂化;采用互信息复杂度和Granger因果性分析法，研究了不同针刺手法的各导EEG之间的信息传输，发现针刺会促使各导EEG之间的信息交流，且在100次/min及以上的针刺手法作用下EEG交流最为活跃，如图8所示，关联维数越高表明脑电网络信息交流的复杂性越高[28-29]。对EEG信号建立针刺不同阶段的脑功能网络，将脑部作为一个整体来研究，首次发现针刺时人脑的小世界网络特性加强，说明针刺对脑部有正性调节作用[30-31]。

3.5 揭示了针刺手法诱发神经放电的起始动力学机制 从不同针刺频率诱发的脊髓背角、脊髓背根神经的放电序列中提取动作电位，从放电波形中得到了阈值电压、上升期最大上升速率等针刺引起的神经电信号起始动态参数，应用统计分析方法获得这些参数之间的相互关系，揭示了针刺引起神经元的起始动态特性及编码规律，发现不同针刺频率诱发的脊髓背角神经元动作电位的阈值电压与最大上升速率具有特定负相关关系[32-34]。在脊髓背角，不同针刺频率不改变效应的神经元个数，而是通过影响动作电位最大峰值来进行编码，而对于脊髓背根神经而言，不同针刺手法是通过改变神经元个数来进行编码的，说明不同神经节段，神经元对针刺的编码方式不同。通过数据分析证明了不同手法引起的神经元起始动力学有明显的差异，从而导致不同手法有不同的作用效果。

4 小结

通过我们的研究工作，首次以数学的方法研究针刺手法的客观量化，构建了数学模型，以科学语言诠释了针刺手法的施针过程，为针刺手法客观化、量化研究提供了新的思路。在应用前景上，将针刺手法的数学模型与针刺手法参数测定仪结合，在手法波形可视化基础上，实时显示各参数量化数值，智能比较不同针刺手法、不同操作者手法之间的差异，并提出手法的学习、改进策略，这相较与当前理论式的口授，将大大提高对针刺手法的学习和掌握，对于针刺手法的传承、科学研究及临床应用也将发挥促进作用。

在针刺手法的效应研究中，通过多模态、多平台明确了不同针刺手法的效应特点，揭示了针刺手法的部分作用规律，并且发现不同针刺手法的效应及疾病状态密切相关，基于疾病状态探讨不同针刺手法的效应规律，寻找最适宜的针刺手法或者参数，对于指导临床应用，提高临床疗效具有重要意义。

在神經电信息的针刺手法的作用规律与机制的研究中，我们首次证明了针刺手法引起的神经电信号具有混沌特性，不同手法的混沌吸引子不同，并阐释了其动力学特征，明确了不同针刺手法诱发神经电信息编码存在差异，这可能是不同针刺手法效应差异的机制之一，同时也探讨了针刺诱发神经放电的相关机制，这为从神经系统角度研究针刺作用原理提供了新的思路。

从现有的研究结果来看，仍有一些问题我们尚不能解释，例如在神经通路的不同节点，针刺手法电信号有着不一样的变化规律，这可能与神经元内在兴奋性相关，或者与神经网络的相互作用有关。因此，进一步鉴定对针刺有响应的神经元类别、探究信号转导方式及过程，明确不同针刺手法/频率对神经元影响的差异，以及对效应指标的影响，都将是我们今后研究的内容。这些研究将有助于揭示手针作用原理，阐释针刺手法效应差异的科学机制。

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