下腰痛患者针刺治疗脑功能网络的小世界拓扑特性

贾润慧，汪新柱，陈晓飞，董馥闻，温玉蓉，周 晟

（1.甘肃省中医院放射影像科，甘肃 兰州 730050；2.兰州大学第二医院介入科，甘肃 兰州 730030）

下腰痛是一种常见的以腰背部疼痛为主要表现，或伴下肢放射痛、麻木等症状的综合征。研究［1］显示，下腰痛是全球第一大致残疾病，在我国其是导致活动受限的第二大主要因素，给个人、家庭、社会带来巨大的经济负担。针灸作为中医保守疗法的一种，对下腰痛症状的缓解有明显效果，但针灸治疗的理论机制尚不明确。基于图论的复杂网络分析是近年来用于神经学领域很有前景的新方法，在脑功能网络拓扑特性方面的研究越来越多。本文采用图论的脑功能网络分析方法探讨针刺治疗下腰痛患者脑功能网络的改变，从而探讨针刺治疗前后脑功能网络的差异。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2017 年10 月至2018 年1 月甘肃省中医院收治的下腰痛患者20 例，其中男12例，女8 例；年龄26～54 岁，平均（44.5±3.4）岁；体质量（62.53±3.75）kg；均为右利手。根据临床症状和影像表现（CT 或MRI 检查证实为L4～5椎间盘突出压迫神经根所致）明确诊断为腰腿痛患者，病程2 个月至1 年。纳入标准：均未使用解热镇痛、安眠、激素类药物，或已停2 周；视力、听力和语言功能均正常，体内无金属植入物，既往无心、肺、肝、肾等重要器官疾病史，无精神疾病史，无明确脑卒中或其他颅脑疾病史，无MRI 检查禁忌证；焦虑自评量表（self-rating anxiety scale，SAS）及抑郁自评量表（self-rating depression scale，SDS）评定为正常者。该研究经甘肃省中医院伦理委员会批准（2017-060-01），患者均签署知情同意书。

1.2 量表评价 20 例在治疗前、后均进行视觉模拟疼痛评分（visual analogue scale，VAS）［2］与日本骨科协会（Japanese orthopaedic association scores，JOA）下腰痛疗效评定表［3］的测试，以评定疼痛缓解程度及下腰痛的临床治疗效果。VAS 的评分标准为：0 分为无痛，3 分以下为轻度疼痛，4～6 分为中度疼痛，7～10 分则为重度疼痛。JOA 疗效评分中改善率100%为治愈，＞60%为显效，25%～60%为有效，＜25%为无效。

1.3 针灸操作 所有患者均由同一位针灸主治医师操作，主穴选右侧大肠俞和委中。大肠俞取穴为L4椎棘突下，旁开1.5 寸进针，直刺0.8～1.2 寸。委中取穴为腘横纹中点，直刺1～1.5 寸。根据患者自身情况中医辨证后选取其他副穴辅助治疗。针刺针为苏州医疗器械厂华佗牌银质针（含银85%，规格0.35 mm×50 mm），针刺穴位后，患者自感酸麻胀痛，“得气”后留针，连接电针仪（联创科技韩氏RHANS-200A 穴位神经刺激仪，标准编码YZB/苏0049-2008），选择波形频率：疏密波2 Hz/15 Hz，脉冲宽度0.6 ms，通电持续30 min，电流量选择最大耐受电流。持续治疗2 个疗程（14 d）。所有患者均于针刺治疗前、后间隔1 d 行2 次静息态数据采集。

1.4 静息态数据采集 采用GE 3.0 T Signa HDxt MRI 扫描仪，8 通道高分辨率头线圈。患者取仰卧位，固定头部以减少伪影，戴静音耳塞降低噪音，闭眼，保持清醒状态，避免有任何的主动思维活动。扫描序列为T2WI EPI 序列，层厚6.0 mm，TE 40 ms，TR 2 000 ms，翻转角90°，矩阵96×96，视野240 mm×240 mm，NEX 1.0，扫描22 层，扫描时间10 min，包括300 个全脑volumes。

1.5 数据处理 使用Matlab 软件将DICOM 格式数据进行180°旋转。利用SPM 的软件包DPARSF 程序进行图像预处理，得到20 例针刺治疗前后90 个脑区的时间序列矩阵，将其导入MATLAB，计算每2 个区域间的Pearson 相关系数，得到90×90 脑区的功能邻接矩阵R，为增加相关矩阵的正态性，再对所有关联值进行Fisher r to z 变换，得到标准化矩阵Z。将稀疏度设为阈值，根据阈值选定规则［4］，设置其范围为0.2～0.3，步长为0.01。

1.6 小世界参数计算 采用聚类系数（Cp）、最短路径长度（Lp）、局部信息交换效率（Elocal）和全局信息交换效率（Eglobal）反映下腰痛患者针刺前后小世界拓扑性质的改变。，其中Ci为节点i 的聚集系数。，其中Li为节点i 的平均路径长度。为节点i 的局部效率表示节点i 的全局效率。其中Cp和Elocal代表网络局部信息传输能力，Eglobal与LP衡量网络全局信息传递能力。

1.7 统计学分析 采用SPSS 18.0 软件进行数据分析，定量资料符合正态性分布，用±s 表示，行配对t 检验。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 疗效评分 20 例治疗前后VAS 评分分别为（4.650±1.725）、（2.500±1.051）分，行配对t 检验，两者差异有统计学意义（P＜0.001），提示针刺治疗后疼痛症状缓解。JOA 疗效评分中改善指数为6.0±1.8、改善率为（43.7±5.9）%，提示针刺治疗下腰痛有效。

2.2 小世界参数 稀疏度在0.2～0.3 阈值范围内，治疗前后Cp、Elocal、Eglobal与稀疏度均呈负相关，Lp与稀疏度呈正相关。治疗前Cp值及Elocal值均明显低于治疗后，差异均有统计学意义（均P＜0.05）（图1）。

3 讨论

人脑是自然界最复杂的器官。大脑的功能活动是以各个脑区的解剖结构为基础，脑区间既相互独立，又协同合作，使得大脑成为一个复杂的网络系统。目前，小世界特性为探索人脑这一复杂的网络系统提供了新的思路［5］。小世界网络具有较短的Lp和较高的Cp，即较高的全局效率和较高的局部效率，保证了信息传递和整合在局部和全局水平的高效性，同时具有效率最大化而耗能最小化的特点，是高度整合、优化的网络模型。小世界属性全面反映了脑网络分化与整合的均衡性［6］。

研究［7］表明，正常人甚至一些大脑功能性疾病患者的大脑功能连接网络或结构网络均具小世界特性。笔者前期研究［8-9］针对正常人进行针刺前后脑功能网络的对比，而本研究主要针对下腰痛患者，观察下腰痛患者在针刺治疗前后脑功能网络的小世界拓扑特性的改变，发现治疗前后Cp、Elocal、Eglobal与阈值呈负相关，Lp与阈值呈正相关，且治疗前Cp值及Elocal值明显低于治疗后。

Cp和Elocal是衡量大脑网络局部信息的传输能力，与信息的整合及传递密切相关［10］。本研究发现，Cp和Elocal在治疗后明显增加，说明下腰痛患者大脑局部信息的传输能力、信息的整合及传递能力受到抑制，在针刺治疗后，局部信息的传输能力较治疗前明显增强，信息的整合及传递能力增强。

在复杂网络理论中，Eglobal反映了网络节点间信息交换的便捷性。Lp反映的是信息传递效率较高的一条通路，两者共同衡量大脑网络全局水平的信息传递能力。既往研究［11］表明，糖尿病患者神经网络的Eglobal有所下降，且脑功能网络Eglobal的下降与认知功能和记忆衰退有关。本研究中发现，下腰痛患者随着稀疏度阈值的增加Eglobal是下降的，多考虑下腰痛患者的认知能力出现不同程度的下降。Lp在治疗后变小，Eglobal在治疗后有所增加，虽然差异无统计学意义，但间接提示针刺治疗后大脑网络中的全局信息传输能力有所增强，究其原因可能是大脑功能网络的小世界拓扑属性，会随着年龄的增长、后天的学习，以及疾病的发生、认知能力的受损而受到不同程度影响有关［12］，有待进一步研究。

综上所述，VAS 评分显示针刺治疗后下腰痛症状缓解，JOA 评分显示针刺治疗有效。采用图论方法发现，针刺治疗后下腰痛患者的局部信息传递能力增强，信息的整合和传递能力增强，全局信息传递能力的趋势也有所增强，虽然受到不可控因素的影响。因此，小世界网络反映的是大脑功能网络在全局水平和局部水平上的一种最佳的、高效的状态。本研究尚存在一定的局限性，缺少正常对照组，样本量小，有待今后增加正常组进行纵向比较研究。

图1 下腰痛患者针刺前、后小世界属性参数图。针刺前参数曲线为蓝色，针刺后参数曲线为红色图1a 针刺前后Cp 随稀疏度增大均逐渐减低，针刺后Cp 较针刺前明显升高（P＜0.05）图1b 针刺前后Lp 随稀疏度增大均逐渐升高，针刺后Lp 较针刺前有所下降，但差异无统计学意义（P＞0.05）图1c 针刺前后Elocal 随稀疏度增大均逐渐减低，针刺后Elocal 较针刺前明显升高（P＜0.05）图1d 针刺前后Eglobal 随稀疏度增大均逐渐降低，针刺后Eglobal 较针刺前有所升高，但差异无统计学意义（P＞0.05）