针刺治疗脑卒中偏瘫的rs-fMRI研究方法及应用现状

张虹岩，王东岩，刘佳惠，谢兴国

(黑龙江中医药大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

全球疾病负担研究(GBD)最新报告显示，目前脑卒中在我国的发病风险高达39.9%，在全球范围内位居第一[1]。脑卒中后约69%～80%患者会出现运动功能障碍[2-3]，运动功能障碍为最高发且严重影响患者日常生活及工作的后遗症之一。在全国老龄化日益加重的今天，脑卒中发病率将会逐渐增高，那么如何有效治疗这一高发疾病成为了刻不容缓的重大问题。针刺治疗脑卒中后运动功能障碍的临床有效性已经被世界所公认[4-5]，在临床康复治疗中被广泛使用[6]，关于针刺起效的作用机制神经科学家们先后提出了不同假说[7-8],如具有促进神经重塑、调节脑部血液供应和建立侧支循环等作用，但到目前为止仍然没有明确的定论。近年兴起了一种新的影像学技术-功能磁共振成像(fMRI)，它是由20世纪科学家Ogawa通过观察氧合血红蛋白与磁共振信号之间的关系发明出来的，以此为基础的静息态功能磁共振(rs-fMRI)[9]以及人脑连接组陆续被提出[10]，各位学者经探究人脑连接组后，根据全脑解剖连接组提出“脑结构网络”、通过全脑功能连接组提出“脑功能网络”，这让后代医者可以通过脑网络来进一步探究复杂的人脑结构以及神经功能在疾病发生时的动态变化。针刺发挥作用与神经可塑性相关[11-12]，当脑卒中发生后大脑高级中枢神经会为了应对环境变化做出结构以及功能上的适应性改变。正是神经可塑性的存在，经过治疗后大脑运动功能才得以重建。因此可以借助rs-fMRI技术全面、深入和直观地关注脑效应改变并探索针刺治疗脑卒中后运动功能障碍的神经功能恢复机制。本研究以功能磁共振在针刺治疗脑卒中后运动功能障碍中的应用进展进行综述。

1 静息态功能磁共振

fMRI主要包含任务态fMRI以及静息态fMRI，任务态fMRI即被试者执行任务时采集脑功能成像，rs-fMRI则是在静息状态下(被试者呼吸平稳、意识清晰，闭目且没有任何思维变化)采集脑功能成像。由于卒中后有运动功能障碍的患者不宜执行要求任务，所以目前研究大多使用rs-fMRI。rs-fMRI分析中的功能连接(FC)[13]也就是对功能磁共振影像上两个不相邻的体素或由神经核团构成的脑区之间的时间序列做出相关性分析，在静息状态下得出的时间序列的相关性分析即为静息态功能连接(Resting state functional connectivity,RSFC)，以此可以识别构建出极具可信度的静息态脑网络[14]。当脑卒中突然发生时局部脑组织受到损伤，此时大脑内部的功能连接发生变换，脑网络也随之改变，所以探究疾病发生以及针刺治疗后的功能连接以及脑网络对探索针刺中枢机制具有重要价值。

2 rs-fMRI研究方法及其应用

人脑的复杂动力学系统具有两大组织原则[15]，即功能分化以及功能整合，关于rs-fMRI的研究计算方法主要从这两个角度出发分为：研究局部脑活动的方法:包括局域一致性(Regional homogeneity,ReHo)、低频振幅(Amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)和分数低频能量振幅(fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF)；研究脑区间连接模式的方法：基于种子感兴趣区的相关性分析(seed-ROI correlation analysis)、独立成分分析(Independent component analysis,ICA)；研究全局脑网络的方法：基于“图论(graph-theoretical)”的复杂脑网络分析；其他方法：体素镜像同伦连接(Voxel-mirrored homo-topic connectivity,VMHC)。

2.1 局部脑活动与运动功能重建

2.1.1 局域一致性(Reho) Reho提出[16]就是以肯德尔和谐系数(the kandall coefficient of concordace)为基础的测量指定脑区内部体素与相邻体素间在时间序列上的相似性，该分析方法集中显示局部脑区的神经功能活动状态，当Reho值降低则提示此脑区中存在神经元损伤、神经功能紊乱；Reho值升高时则表明在时间序列上局部脑区内部神经元激活趋近一致。Reho指标用于针刺治疗脑卒中后运动功能障碍的研究中，付彩虹等[17]发现与健康者对比，卒中患者的Reho增强的脑区包括左侧额上回、额中回、额下回、中央前回和中央后回等;而Reho减弱集中在右侧中央前回、扣带回和双侧小脑扁桃体等脑区。针刺治疗后卒中患者对比治疗前左侧额中回、中央前回、中央后回、顶下小叶以及双侧尾状核的Reho增强。实验证实卒中后偏瘫患者多脑区存在局域一致性异常差异，而针刺治疗后可以调整脑功能状态，对运动功能重塑具有促进作用。刘桐言[18]基于rs-fMRI的Reho指标探讨颞三针激活脑梗死后上肢运动障碍患者的相关脑区，治疗前经rs-fMRI扫描发现患者较健康人脑，健侧尾状核、健侧中央后回ReHo值降低，提示此处脑区神经元损伤、活动异常。经治疗后治疗组两处脑区ReHo值上升，接近健康人ReHo值水准；对照组健侧尾状核ReHo值接近健康者水准,健侧中央后回并未达到健康者水准。得出结论颞三针提高了左脑尾状核及中央后回两处脑区的Reho值并改善其异常神经活动，针刺左侧颞三针使右脑梭状回、左脑小脑后叶被激活，提示两处脑区可能与改善运动功能相关。多实验表明基于静息态功能磁共振的Reho指标具有稳定性较高、对局部脑区神经激活敏感性较好，能够相对精确地对发生运动功能障碍后的异常脑区进行定位，探究针刺治疗对运动相关脑区的激活水平进而发掘针刺治疗运动障碍的中枢神经恢复机制。

2.1.2 低频振幅(ALFF)、分数低频能量振幅(fALFF) ALFF也是反映大脑局部脑区神经元活动的重要指标[19]，其在每个频段下的BOLD信号功率谱各有不同，经典频段(0.01～0.08 Hz)最为常用，这个频段下降噪水平相对突出，所以目前大多数颅内研究集中在这个频段。ALFF数值下降提示脑区BOLD信号减弱、神经元自发活动减低；ALFF数值升高则意味着信号增强、活动增加。为了避免ALFF易受噪声干扰的缺陷，有学者在此基础上提出了fALFF[20]，这种分析方法是将低频段ALFF信号数值除以完整频段的ALFF值，在避开ALFF的短板的同时提升了检测大脑神经元信号强度的灵敏程度并增加其特异性。可以更好地映射全脑各个静息态神经网络并观察他们的功能变化。ALFF、fALFF分析方法被广泛应用于脑功能、脑静息态网络的研究当中，欧芳元等[21]通过观察fALFF指标变化来研究针刺对改善脑卒中后偏瘫患者脑功能的影响，当患者发病后颅内出现多个脑区fALFF数值异常，针灸治疗后部分fALFF数值趋向健康受试者水平，研究者提出fALFF的变化可能与针刺能够改善静息态运动功能网络、促进脑内运动功能重塑有关。何晓浩等[22]通过ALFF分析方法明确卒中后偏瘫患者针刺联合推拿的治疗疗效，将纳入患者分为3组，治疗后3组患者ALFF数值均在中央前后回、左侧尾状核等脑区有所升高，但联合治疗组在中央前后回等脑区ALFF数值改变更为明显，提示联合治疗组效果优于单一治疗组，并且ALFF数值的改变与运动功能的恢复情况密切相关。多个实验证实ALFF、fALFF可以探究卒中后患者局部神经元活动状态并且可以映射全脑各个静息态神经网络并观察他们的功能变化，能为临床研究提供可靠依据并且推动临床研究进展,极具临床研究及应用前景。

2.2 脑区功能连接与运动功能重建

2.2.1 种子感兴趣区的相关性分析 种子点分析法是目前临床使用最多的研究静息态脑功能连接(Functional connectivity,FC)的分析方法，该方法首先确定一个脑区为感兴趣区并标定此脑区为种子点(RIO)，然后计算RIO与其他脑区之间的相关系数，该系数的数值表示FC强度，再通过阈值提取与RIO相关的脑区并分析出脑区间的FC强度。这种功能连接的方式可以以RIO为基点构建FC，以此进一步探究脑网络科学。通过脑区之间的FC变化来探究针刺对脑功能以及脑网络产生的作用已经成为众多医者探究脑科学的研究方法。Chen等[23]基于种子点功能连接探究针刺阳陵泉(GB34)对脑梗死后运动障碍患者相关脑网络的即刻作用的起效机制，患者做出任务运动期间捕捉激活显著的神经信号位置作为种子点，针刺组与假针刺组对比后发现针刺阳陵泉是脑内患侧颞叶以及对侧舌回、对侧小脑之间FC增强，说明针刺阳陵泉可以提升与运动相关脑区的FC与此同时降低健侧运动皮层的代偿作用，确定阳陵泉具有促进运动功能重建的作用，并猜测针刺阳陵泉可以调节运动相关网络是其发挥即刻效应的主要作用机制。Chen等[24]探究针刺外关穴对脑梗死后偏瘫患者中枢系统的影响，锁定6个RIO脑区(双侧运动、感觉和基底节区)，分析他们与其他体素之间的FC，发现针刺外关穴可以调节同侧半球的感觉运动网络，并对对侧感觉运动网络产生刺激，进而调整两个半球之间的功能协作并改善大脑与小脑的同步性，各个脑网络内部脑区之间的连接变换可能是针刺外关穴发挥作用的可能机制。易小琦[25]以大脑双侧M1作为RIO与全脑脑区构建FC，与健康者对比患者的FC显著减弱，减弱的脑区主要发生在与运动相关的脑区；治疗后患者脑内M1的FC强度显著增加，提示这可能是针刺促进运动功能重建的可能机制。实验证实种子分析法可以通过FC探究脑功能变化进而研究针刺作用机制，但是其存在的弊端在于过于依赖种子点脑区，只能观察到种子点的功能连接脑区，种子点的变化就会造成FC脑区的改变,这可能会影响实验结果使其产生偏差。

2.2.2 独立成分分析(ICA) ICA根据静息态功能磁共振影像的数据成分选取出不同FC的脑网络，并可以算出各个脑网络内部或脑网络之间的FC变化[26]，与种子点分析方法不同的是ICA是基于数据驱动的可以直接分离BLOD信号的分析方式，并不受先验选择脑区的限制，能够提取出各不相同的独立成分对应于多样的脑网络。但目前使用ICA方法对脑卒中后运动障碍进行研究的实验为数不多，用针刺对脑效应的影响则更为少有。

2.3 全局脑网络与运动功能重建

以上分析方法不管是着眼于局部脑活动还是脑区之间的功能连接，他们所分析的问题都是关于局部脑区的神经功能活动变化，然而大脑结构复杂且精密，是百亿计的神经元构成的高度精巧的高级中枢系统，进行繁杂的信息处理把控身体完成一系列生理活动。这一庞大的网络结构在近年间被神经科学家所认识，提出“人脑连接组学”并构建出全脑结构网络，通过结构网络扩展到大脑功能网络[27]，该网络是将神经元/神经元集块/脑区三者之一作为节点，以他们之间的连通性作为边的复杂脑功能网络，可以通过基于图论的分析方法来探究复杂脑网络的拓扑原理，通过核心节点(根据节点度计算)、连接枢纽点(根据介数中心度计算)和节点局部效率来分析节点属性；通过聚类系数、特征路径长度度量全局小世界属性[28]，通过全局效率、平局局部效率分析全局属性。这样的分析方法从节点到全局，能够囊括全脑的动态变化，基于图论分析全局复杂脑网络已然成为神经科学的最新研究热点[29]。这种方法同样被引入针刺的中枢机制研究当中，韩笑[30]发现针刺即刻效应可以对全脑网络进行调整使局部节点效率增加、功能分离现象转好，还可以有效纠正脑网络随机变换趋势，并提示双侧半球辅助运动区(SMA)、双侧中央前回可能是针刺阳陵泉对运动功能改善发挥效用的重点脑区。阳陵泉的针刺效应可能是针刺促进运动功能重建的作用机制之一。复杂脑网络是将局部脑功能进行全局整合的高能系统，从宏观角度研究针刺对全脑水平的功能影响才能更加全面科学地揭示针刺的起效机制。

2.4 其他方法

体素镜像同伦连接(VMHC)的分析方法主要研究人脑两侧半球之间的同步神经活动，也就是分析一侧半球的不同体素与对侧半球同等位置的等位体素之间在时间序列上的相关性[31]。VMHC的特点在于他特异性地反映两侧半球之间信息传递效率的方式[32]，发生疾病后患侧半球出现结构与功能性的损伤，而这种损伤也会引起健侧半球的改变，健侧半球与患侧半球之间的功能连接随之变化，有研究指出[33]健侧半球代偿性激活程度增强是为了弥补患侧半球损失的运动调控能力，但健侧半球的神经活动增强是否会对运动功能产生正性影响始终未定论[34-35]，所以运用VMHC关注半球间相关连接是极有意义的。江澜[36]发现卒中后偏瘫患者大脑双侧同伦功能明显弱于健康受试者，遭到破坏的脑区主要发生在双侧小脑扁桃体、海马附近区域、基底节区及中央旁小叶等脑区。经过“手足十二针”治疗后，患侧肢体运动功能的重建与双侧小脑扁桃体的VMHC变化相关性最强。提示中风后双侧脑功能泛化，而针刺时可以纠正这种现象增加双侧半球同伦功能，可能机制是通过双侧小脑扁桃体来调整整体运动功能进而促进运动功能的重建。

3 rs-fMRI在针灸治疗中应用的问题与展望

针刺不管从理论还是临床效果都被现代医学所认可，但针刺的作用机制也是中外学者持续关注的重点问题，采用功能磁共振技术探究针刺作用的中枢机制的优点在于具有无创性、极高的时间分辨率和能够客观科学的反映出大脑神经活动[37]，并且随着现代影像学进展还会有更完善的可视化技术支撑针刺机制的研究。但基于rs-fMRI研究针刺的实验当中还存在着些许争议，首先现阶段的静息态功能磁共振临床实验中均以健康受试者作为成像基线与卒中后患者进行对比，虽然在纳入时已经指出要寻求年龄、性别相近的受试者进行对比，但是脑功能在成长过程是呈现动态变化的,不同人所受到的教育、职业用脑程度和日常思维练习等都会很大程度地影响脑功能，即使性别相同、年纪相仿的人脑功能也会存在差异，这就会对后期脑功能的对照分析中产生影响；其次针刺即刻效应的研究中，是在针刺之前[38-39]还是针刺之后[24]采集rs-fMRI作为疗前静息态影像依据，有学者认为针刺后脑神经活动会发生变化,不能达到静息态水平，应该在针刺前采集更为准确[40]；再次样本量直接影响数据分析情况，不同的样本量产生实验结果各有不同[41]，当样本量过少时统计学意义较差，现阶段实验当中样本量数量较少，这也跟核磁费用偏高有直接关系；最后针刺对照组的设置，目前绝大多数实验都是由健康受试者组成健康对照组，意在与卒中后患者脑功能变化做对比，观察卒中后患者异常脑区位置，用针刺组的治疗前、后做对比，探讨针刺作用机制，较少出现其他疗法或联合疗法与针刺组进行对比的临床研究。

综上所述，虽然近年间有众多学者对针刺治疗卒中后运动功能障碍的中枢机制进行研究探讨，但是目前并没有给出一致性结论，呈现出说法各异的学术状态。因此如何尽量缩小健康基线受试者与患者之间脑功能的差异、选择即刻针刺效应完全静息态状态、规范实验样本数量和把控对照组设置已然成为现在急需攻克的问题。要尽量排除环境、机器等外在干扰因素，并对受试者的纳入进行严格筛选，将rs-fMRI临床试验规范化、客观化和统一化才能更有利于研究脑功能网络、脑效应的动态改变，以此为基础才可以利用功能磁共振技术更加深入、系统地探讨针刺起效的中枢机制。