功能性近红外光谱术在针刺研究中的应用

李 玲 马 婕 宋思敏 李 姝 宋慧君 李岩琪 郭 义,2 刘阳阳,3

(1 天津中医药大学实验针灸学研究中心,天津,301617; 2 天津中医药大学中医学院,天津,301617; 3 天津中医药大学针灸推拿学院,天津,301617)

针刺治疗具有适应证广、疗效显著、应用简便、经济安全等特点。然而,针刺疗法的作用机制尚不完全清楚,这一定程度上限制了针刺的应用与发展。针刺时受试者会感受到酸、麻、重、胀等得气感,这些感觉必须上传至大脑才可以被感知,同时针刺对机体的调节作用也需要通过大脑的整合调控才得以发挥[1-2],因此研究针刺对脑功能的影响有助于揭示针刺的作用机制和规律。神经影像学是借助影像学方法研究大脑的结构和功能,从而探究大脑认知、信息处理以及病理变化等机制,神经影像学技术包括计算机断层成像(Computed Tomography,CT)、功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)、正电子发射断层成像(Position Emission Tomography,PET)、功能性近红外光谱术(Functional Near-infrared Spectroscopy,fNIRS)、脑磁图(Magnetoencephalogram,MEG)等,目前针刺研究都应用这些技术,其中fNIRS逐渐成为针刺研究领域的新热点。fNIRS是根据不同的血氧含量产生近红外光信号差异而成像的动态可视化技术,该技术可在人体上无创、可视化地研究脑功能活动[3]。本文检索近年有关应用fNIRS于针刺研究中的文献,并进行了整理和总结。

1 功能性近红外光谱术原理

大脑功能活动中神经元的电活动需要耗氧耗能,当皮层局部功能活动增强时,皮层局部血流量和血氧供应量也随之增加。有研究发现,皮层局部区域中的血氧供应量往往超过神经元的实际耗氧量,从而导致该皮层区域中氧合血红蛋白(Oxygenated Hemoglobin,Oxy-Hb)含量相对升高,而去氧血红蛋白(Deoxygenated Hemoglobin,Deoxy-Hb)含量相对降低[4]。皮层局部的血流量增加是神经元对刺激反应的结果,血流量的增加使血液中的Oxy-Hb含量上升,Deoxy-Hb含量下降,因此可以通过测量Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量变化评估被测脑区神经元的激活程度。血液血红蛋白对600～900 nm的近红外光具有良好的吸收和散射特征。在fNIRS中,光源发生器可以调制2种不同波长的近红外光,一种波长是Oxy-Hb的等吸收点,另一种波长是Deoxy-Hb的等吸收点,这2种近红外光可分别探测Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量变化[5]。依据近红外光谱物质成分检测的比尔-朗伯定律,Oxy-Hb和Deoxy-Hb的近红外光信号强度与其血红蛋白含量正相关[6],即光信号越强,对应的Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量越高,因此可利用近红外光信号强度的变化反映大脑皮质Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量变化,从而评估皮层神经元的功能状态。在fNIRS的具体应用中,通常先以无刺激状态或有控制的刺激状态的近红外光信号强度作为基线,将刺激时呈现的近红外光信号强度与基线相比较,再运用数学方法将二者差值转换为Oxy-Hb和Deoxy-Hb含量的变化,即大脑神经活动导致的局部血流动力学变化,由此获得大脑皮质的神经活动成像分析[5,7]。

2 功能性近红外光谱术在针刺研究中的应用

fNIRS在针刺研究中的应用尚处于初期,其研究方向主要是针刺对正常及病理状态下脑功能活动的影响。

2.1 针刺对正常状态脑功能的影响 合谷是针刺临床常用的穴位,也是基础研究中经常使用的穴位,针刺对脑功能的影响多围绕这一穴位开展。韩雅迪等[8]应用fNIRS研究了针刺合谷穴对脑功能的影响,研究人员将健康受试者随机分为针刺组和对照组,针刺组给予右侧合谷的针刺干预,对照组不接受任何干预,实时记录针刺前后前额皮质Oxy-Hb和Deoxy-Hb的含量变化,结果表明,针刺组Oxy-Hb含量较对照组显著升高,说明针刺合谷穴能激活大脑前额叶皮质,从而影响其功能。FERNANDEZ ROJAS等[9]对11名健康受试者进行了同一模式的针刺操作,即针刺受试者左侧合谷穴,在进针得气后捻针3次,分别为10 s,期间休息30 s,然后出针,在此过程中应用24通道fNIRS检测仪检测了双侧大脑皮质体感Ⅰ区(SⅠ)的Oxy-Hb含量变化,结果显示进针和捻针时Oxy-Hb都会出现一定程度的升高,得气时曲线达到最高峰,进一步应用小波相干性分析各通道Oxy-Hb信号以研究左右大脑的脑连接特征,发现大脑左右半球SⅠ区的Oxy-Hb信号在低频段(0.08～0.15 Hz)和极低频段(0.01～0.08 Hz)有着强相关性(这2个频段被认为与神经元活动相关,且不受呼吸和心率等生理功能影响),说明针刺一侧合谷穴能引起左右大脑特定区域的同步性反应。SI等[10]对20名健康受试者针刺右侧合谷穴,应用fNIRS比较了针刺得气与不得气时双侧运动皮质区、前额叶皮质区的Oxy-Hb含量变化,结果显示针刺得气可以使双侧前额叶皮质区和运动皮质区的Oxy-Hb含量显著下降,并且可以增强双侧前额叶皮质区和运动皮质区的功能连接和通信效率,客观显示了针刺得气时的脑功能状态。

2.2 针刺对疾病状态脑功能的影响

2.2.1 针刺对焦虑、抑郁患者脑功能的影响 广泛焦虑障碍(Generalized Anxiety Disorder,GAD)是常见精神障碍疾病,临床表现为坐立不安、胸闷、心悸、手抖等。临床研究表明针刺治疗对GAD具有一定的调节作用[11]。有研究显示,与健康人相比,GAD患者的前额叶激活不足,并且焦虑严重程度与前额叶激活程度负相关[12-14]。项相印[15]发现,针刺可以改善GAD患者的担忧、思虑等精神性症状以及肌肉震颤、心悸等躯体性症状;进一步发现针刺能够激活GAD患者左背侧前额叶,出现以Oxy-Hb含量上升、Deoxy-Hb含量下降的即时响应特征,认为针刺对GAD患者的情绪调节作用可能与左背侧前额叶皮质的激活有关。

抑郁症是以心情低落为主要症状的一种疾病,发病率逐年上升,西药治疗抑郁症不良反应明显,因针刺疗法具有安全无不良反应的特点,使得越来越多的患者倾向于针刺疗法,目前大量研究表明针刺治疗抑郁症有效[16-17]。有研究显示抑郁症主要与大脑前额叶功能异常有关[18]。陈小艳等[19]对比了针刺治疗与西药治疗在抑郁症上的疗效,针刺组采用2组穴位交替使用,一组为神庭、中脘、关元、合谷、太冲、足三里,二组为百会、心俞、肝俞、脾俞、肺俞、肾俞、命门,西药组采用草酸艾司西酞普兰片,发现2种干预方式疗效相当。同时,应用fNIRS观察了治疗前后脑功能的变化,结果显示针刺组和西药组的Oxy-Hb较治疗前明显上升,且第1周针刺组Oxy-Hb明显多于西药组,提示针刺和药物均可增加前额叶区的Oxy-Hb含量,从而改善情绪中枢的调节能力,减轻抑郁症状。陈窈[20]应用fNIRS对比了健康受试者和抑郁症患者在接受针刺时的脑功能变化,结果显示,针刺抑郁症患者可使左背外侧前额叶皮质Deoxy-Hb显著下降,Oxy-Hb显著上升,而针刺健康人,其左背外侧前额叶皮质无明显响应,这也提示针刺改善抑郁症可能与前额叶皮质的激活有关,并与机体状态相关。

2.2.2 针刺对认知障碍患者脑功能的影响 轻度认知障碍(Mild Cognitive Impairment,MCI)是一种介于正常衰老和早期阿尔茨海默病及其他痴呆症之间的过渡状态,是早期阿尔茨海默病的前驱期。临床研究表明针刺治疗MCI疗效显著[21]。GHAFOOR等[22]观察了针刺对MCI患者疗效及大脑前额叶皮质的影响,并与健康受试者进行对比,发现MCI患者前额叶皮质的Oxy-Hb含量明显低于健康受试者,针刺第6周和12周后Oxy-Hb含量显著升高,且蒙特利尔认知评估量表(Montreal Cognitive Assessment,MoCA)分数大于针刺前,说明针刺改善了MCI患者的认知功能,在持续12周的针刺治疗中,MCI患者的量表评分与fNIRS的Oxy-Hb含量正相关,提示针刺治疗改善MCI患者的认知能力可能与前额叶皮层功能活动的改善相关。

卒中后认知障碍(Post-stroke Cognitive Impairment,PSCI)指脑卒中发生后6个月内出现的认知障碍。有研究发现,脑卒中后PSCI的发病率为56.6%[23]。大量研究表明针刺治疗PSCI疗效显著[24]。CHEN等[25]将56例PSCI患者随机分为对照组和观察组,对照组仅给予药物治疗,观察组在药物治疗的基础上加头针,发现与对照组相比,药物加头针治疗能显著改善认知功能,进一步运用fNIRS对患者大脑前额叶皮质和顶叶运动区功能进行检测,发现PSCI患者Oxy-Hb、Deoxy-Hb和总血红蛋白(Total Hemoglobin,Total-Hb)含量均低于正常水平,药物加头针治疗后,Oxy-Hb、Deoxy-Hb和Total-Hb含量均显著升高,研究者认为头针通过提高PSCI患者前额叶皮层和运动皮层的血红蛋白水平,改善认知功能及相关脑功能活动。

2.2.3 针刺对创伤后应激障碍脑功能的影响 创伤后应激障碍(Post-traumatic Stress Disorder,PTSD)是由物理创伤或精神创伤引起的应激障碍。研究表明PTSD患者的相关脑区神经元异常放电,细胞能量代谢增加,局部血流增加,耗氧量增加,Oxy-Hb含量升高[26]。目前治疗PTSD的药物中盐酸帕罗西汀疗效和安全性较好,能抗焦虑、镇静和改善睡眠,但有明显的成瘾性。近年来,针刺治疗PTSD得到医学界的广泛认可,且研究表明针刺可以有效改善PTSD[27]。张彦峰等[28]应用fNIRS探讨了针刺治疗PTSD的脑功能机制,以PTSD模型大鼠为实验对象,采用针刺百会、神门、内关和太冲进行治疗,并检查了大鼠大脑的血红蛋白含量变化,发现造模之后相关脑区Oxy-Hb含量增加,Deoxy-Hb含量减少,针刺治疗与帕罗西汀灌胃后Oxy-Hb含量显著减少,Deoxy-Hb含量显著增加,认为针刺的治疗作用与帕罗西汀相似,都可以抑制PSTD后大脑皮质神经元异常活动,稳定细胞能量代谢的需求,恢复该区的正常耗氧量,从而改善大鼠的抑郁、焦虑症状。

2.2.4 针刺对弱视脑功能的影响 弱视是临床眼科中的常见病和多发病,研究表明针刺对弱视具有良好的改善作用[29-30]。为了探讨针刺治疗弱视的脑功能机制,马重兵等[31]以右侧单眼睑缝合法建立单眼弱视大鼠模型,对比了针刺和左旋多巴甲酯治疗弱视的疗效,并应用fNIRS检测了大鼠视皮层17区的Oxy-Hb、Deoxy-Hb和Total-Hb含量的变化。结果显示针刺可以改善弱视大鼠的视觉诱发电位潜伏期延长和振幅降低现象,同时发现造模后弱视眼的视觉皮层眼优势柱区Oxy-Hb含量显著降低,针刺和药物治疗均可升高该区的Oxy-Hb含量,说明针刺和药物可以调节弱视视觉皮层关键区域的异常功能,从而调整视觉电生理可塑性变化,改善弱视。

3 讨论

fNIRS在针刺研究中的应用尚处于初期阶段,目前的研究多集中在针刺对脑功能障碍相关疾病的机制探讨上,如焦虑、抑郁、MCI、PTSD等,研究方向比较局限。fNIRS检测的是大脑皮质的血氧代谢状态,大脑皮质是最高级中枢,参与了机体许多功能的调节,包括感觉、运动、情绪、学习、记忆以及内脏功能,也是视觉中枢所在区域。在经络研究中有学者曾提出了“经络-皮层-内脏相关”的假说[32],认为经络现象与大脑感知和脏腑学说密切相关,针刺的得气感必须经过大脑皮质反应才能被感知[33]。由此可见,fNIRS在针刺研究中的应用还可进一步拓宽,包括针刺对高级神经活动或内脏功能调节的研究、经络理论的研究(如穴位特异性研究、腧穴配伍研究)、得气的研究,针刺手法的研究等,发挥fNIRS的技术优势,有助于揭示更多针刺理论的科学基础和针刺效应的科学原理。

从针刺fNIRS研究关注的脑区来看,主要为前额叶皮质,前额叶位于额叶的最前端,是重要的加工整合中枢,参与调控多种高级脑功能,包括记忆、注意力、情感、决策,也参与对内脏功能的调节等[34]。根据位置的不同,前额叶皮层可分为额极、内侧、背外侧、腹外侧和眶额皮层[35]。不同位置调控着不同的功能,在对信号的分析中,还可进一步分析前额叶皮质各亚区的血氧代谢活动。例如,在儿童大脑右侧的背外侧前额叶区,多动症患儿的fNIRS信号复杂度明显高于健康对照儿童,研究者认为fNIRS信号这一特征可作为一种识别多动症儿童的潜在生物标记[36]。此研究若将前额叶作为一个整体进行分析,局部的特异性变化可能并不显著。因此,细化脑区的信号分析更有利于挖掘出与研究问题相关的脑功能特征表现。此外,大脑皮质其他区域,如顶叶主要处理感觉信息,颞叶处理听觉、语言和记忆信息,枕叶处理视觉信息等,可根据不同研究目的,选择相应的皮层区域开展基于fNIRS的针刺研究。

对于fNIRS数据,常用的分析方法是用仪器自带的分析软件,或将原始数据导入MATLAB软件,进行滤波降噪(滤除数据中的呼吸、心率、血压波动等正常生理活动产生的噪声干扰)后将光强度信号转换为血氧含量的相对变化量,并进行统计分析。这些方法属于线性分析,具有简单、直接,所得结论易统一的特点。然而,大脑是一个非线性、非平稳的,且由大量神经元群相互连接的复杂动力学系统[37],单纯的线性分析方法不足以全面、客观揭示大脑的变化特征。目前,非线性方法已广泛地应用于fMRI和EEG的数据分析中,包括熵分析、小波分析和复杂度分析等[38]。对于fNIRS数据,同样具有非线性的特征,并且在实际应用中还具有多变量(多通道)的特点,因此在数据分析时,采用一些非线性的分析方法,有助于更深入地揭示针刺对脑功能的影响。此外,大脑的功能连接也是fNIRS数据常用的分析方法,即探索多个通道之间的时间相关性,但目前在针刺研究中应用得还是比较少,之后可对脑功能连接多做一些分析,以探索针刺对大脑的影响是否具有协同性、探索施针者与受试者之间的交互影响等。

4 小结

fNIRS具有简单易用、费用较低、非侵入性的优点,以及具有较高的空间分辨率和时间分辨率,在脑神经作用机制研究方面得到了广泛应用。但基于fNIRS技术的针刺研究尚处于初期阶段,研究方向、关注的脑区都还比较局限,所获信号数据的分析方法也相对比较简单,这些都有待进一步地深入探索和挖掘。此外,在研究范式上,由于fNIRS在心理学中有比较成熟的研究范式,在针刺研究中,一些学者会直接借鉴,但直接借鉴不一定符合针刺作用特点,例如单一任务的重复执行模式,这可能就不太适合针刺研究,因为针刺的有创刺激容易产生遗留感,且会对受试者的心理预期产生一定影响,从而影响脑血流的变化,因此我们需要根据不同的研究目的,探索符合针刺特点的fNIRS研究范式。再者,fNIRS信号易受个人因素的干扰,如眨眼、运动、情绪变化等,因此在实验中也应减少这些因素对信号的干扰,例如可嘱咐受试者闭眼、放空思绪、勿动等。以上这些需要我们在临床研究实践中不断探索,积累经验,形成规范。希冀有更多的学者参与到基于fNIRS的研究中来,为针刺研究探索更多、更规范的研究方法,以促进针刺研究的发展,揭示针刺的科学原理。

利益冲突声明:无。