基于fMRI研究经筋疗法对健康人脑网络拓扑结构的影响

张耿标，郑鸿毅，庄佳燕，吴碧霞，李伟佳，吴京铧，郑文斌

1.汕头大学医学院第二附属医院医学影像科，广东 汕头 515041；2.汕头大学医学院，广东 汕头 515041；3.北京筋柔中医研究院，北京 100000；4.广东省汕头市龙湖区筋柔中医技术研究院，广东 汕头515000

经筋疗法是中医外治的重要手段，在部分神经系统疾病的治疗和预防方面，较传统经脉疗法效果更佳［1-3］，但其“未病先防和既病防变”的机制却少有报道。本课题组前期研究发现，经筋治疗能够提高志愿者认知相关脑区的血流量和神经活动［4-5］；而陆彦青等［6-7］的研究也发现针刺等操作能通过多种途径促进脑神经网络恢复性重塑。基于神经网络结构与认知功能及临床表现的强相关性［8］，笔者推测经筋治疗在中枢神经系统治未病方面的作用机制可能与其优化神经网络排布的作用相关。

静息态BOLD-fMRI有空间分辨力高、无创、可重复检查等优点，是观察大脑功能网络的首选方法，为观察脑神经网络排布状况提供了有利视角［9］。2005 年Petersen 等［10］提出将人脑构建成由节点和连边组成的复杂网络，结合图论分析方法，计算脑网络的拓扑学结构，并以此反映人脑的神经动力学。图论方法能分析大脑神经网络包括能耗和效率在内的多种特性，对其排布和运行状态进行综合评价［11］。图论分析提供的全脑网络视角也与中医的整体观念更契合。整体观念是中医的核心理念之一，认为人是由气、形、神构成的统一体，提出用统一而完整的认识方法去把握人体自身，把追求人生理功能的和谐、统一和完整性作为一种思维模式与临床实践理念。有学者提出，病情由轻微向严重转变的过程体现了未病状态的整体性，而中医整体观念能够指导治未病理论内涵的完善和优化［12］。

本试验旨在利用静息态BOLD 结合图论方法分析志愿者经筋治疗前后静息态功能脑网络的拓扑结构，探究经筋疗法对功能网络的重塑作用，为其治未病机制提供影像学证据，为了解其对神经系统疾病的治疗机制提供新的见解。

1 资料与方法

1.1 一般资料

招募41 例大学生健康志愿者，2 例因MRI 扫描时头动过大被排除，最终纳入39 例，随机分为理筋伴针刺组21 例，男9 例，女12 例；年龄22～35 岁，平均（26.05±2.87）岁。理筋组18 例，男7 例，女11 例；年龄22～35 岁，平均（25.78±2.76）岁。在经筋治疗前后采集志愿者的简单反应时间（reaction time，RT）测试、舒尔特方格（Schulte grid，SG）测试和颅脑MRI 3D-T1WI 及BOLD 序列数据。本试验获汕头大学医学院第二附属医院伦理委员会批准（审批号：2021-19），所有志愿者均签署知情同意书。

纳入标准：右利手，无神经系统疾病、精神病和重大外伤史，近3个月内无精神病药物或镇静药使用史，MRI 3D-T1WI 未发现颅内异常改变。排除标准：有MRI 检查禁忌证或无法配合者，扫描图像质量达不到试验标准者。

1.2 试验设计

采用RT 测试和SG 测试测定志愿者的反应力和注意力，试验前进行练习以排除学习效应的影响，正式测试在2次MRI扫描结束后重复进行。RT 测试使用Credamo 平台（https：//www.credamo.com/surveyList.html#/）提供的“HBO（Human Behavior Online）行为测试”模块设计任务范式，志愿者右手示指放在电脑按键上，在屏幕中心随机出现1 个不同颜色方形色块后，立即作出按键反应。软件记录志愿者的RT。测试共进行100 次，每20 次为1 个单元，以5 个单元和总的RT 均值作为测试结果。注意力方面采用5×5 SG 测试，共进行3 次，以任务完成时间均值作为测试结果。

经筋治疗由同一位经验丰富的经筋医师在独立的治疗室内完成。为排除主观臆想导致的安慰剂效应，志愿者不了解分组情况及治疗可能的效果。理筋组采用“吴京铧经筋手疗法”对经筋循行区域的肌肉、筋膜及筋结点进行松解。理筋伴针刺组使用相同手法行理筋治疗，并使用针灸针（长度50 mm，直径0.3 mm，环球牌）松解颈部肌筋膜组织。针刺部位和数量由操作者根据志愿者颈部筋结点位置和肌筋膜活动度确定。2组治疗时间均约30 min。

1.3 仪器与方法

1.3.1 仪器 采用GE 3.0 T MRI 扫描仪。BOLDfMRI 使用梯度回波单次激发回波平面成像技术，扫描参数：TR 2 000 ms，TE 30 ms，层厚3 mm，无间隔，视野24 cm×24 cm，有效矩阵64×64，翻转角90°，层数33，采集210 个时间点，扫描时间共7 min。扫描时志愿者须闭眼保持清醒。

1.3.2 测量方法 采用GRETNA 工具箱（http：//www.nitrc.org/projects/gretna/）对BOLD 数据进行预处理：去除前10 个时间点数据、时间层校正、头动校正（平移＜2 mm，旋转＜2°），将受试者的功能相位图像标准化至蒙特利尔神经病学研究所（Montreal neurological institute，MNI）标准大脑模板，重采样体素为3 mm×3 mm×3 mm，对头部运动参数、白质和脑脊液进行回归，最后行去线性漂移和带通滤波（0.01～0.08 Hz）。基于Dosenbach 160 图谱［13］将大脑分为160 个ROI，并划分为6 个功能子网络，包括默认模式网络、额顶网络、带状盖网络、感觉运动网络、枕叶网络和小脑网络。然后提取每个节点的平均时间序列，计算各节点对之间的Pearson 相关系数，以评估脑区间的功能连接状态，构建功能网络矩阵。拓扑结构参数选择二进制化的网络类型，基于既往研究［14-15］选择阈值为0.10～0.34，间隔0.01。

采用图论方法计算不同稀疏度阈值下的网络参数，包括5 个小世界网络参数［聚类系数（clustering coefficient，Cp）、特征路径长度（characteristic path length，Lp）、标准化聚类系数（normalized clustering coefficient，γ）、标准化特征路径长度（normalized characteristic path length，λ）和小世界属性（smallworldness，σ）］、2 个网络效率参数［局部效率（local efficiency，Eloc）和全局效率（global efficiency，Eglob）］。Cp、γ 和Eloc表征网络的分离能力，Lp、λ 和Eglob表征网络的整合能力，σ则表征网络的信息传输效率［11］。在稀疏度阈值内计算每个参数的AUC。

1.4 统计学分析

使用SPSS 26.0 软件分析数据，2 组间性别比较行χ2检验，2 组间年龄、RT、舒尔特方格时间（Schulte grid time，SGT）和网络拓扑参数分别采用配对/独立样本t检验和Wilcoxon 秩和/Mann-WhitneyU检验进行比较，以P＜0.05 为差异有统计学意义。采用基于NBS 工具箱的非参数置换检验（阈值=3.2，P＜0.05，置换10 000 次）识别功能连接强度显著的组间差异。使用Pearson 相关性分析计算各网络参数与RT 及SGT是否存在相关性。

2 结果

2.1 人口学资料、反应力及注意力比较（表1）

表1 2组RT-mean-all及SGT比较（s，）

表1 2组RT-mean-all及SGT比较（s，）

注：RT-mean-all 为总平均反应时间，RT-mean-（1～5）为第1～5 单元平均反应时间，SGT 为舒尔特方格时间。经筋治疗前后组内对比，aP＜0.001，bP＜0.01，cP＜0.05。

2 组间在年龄和性别构成方面差异均无统计学意义（P=0.795，0.802）。组内比较显示，治疗后理筋伴针刺组总平均反应时间（RT-mean-all）、所有单元的平均反应时间［RT-mean-（1～5）］和SGT 均显著缩短，而理筋组RT-mean-all 和第1、2、4、5 单元的RT、SGT 缩短（均P＜0.05）。理筋伴针刺组和理筋组在治疗前和治疗后分别行组间比较，差异均无统计学意义（均P＞0.05）。

2.2 网络参数比较

与治疗前比较，治疗后理筋伴针刺组的Eglob 和σ显著提高（P=0.014，0.035），Cp和Lp降低（P=0.026，0.020）；而理筋组仅见Eglob提高和Lp降低（P=0.016，0.011）。2 组治疗前后组间比较，各小世界网络参数差异均无统计学意义（均P＞0.05）（图1）。

图1 经筋治疗前后2组网络参数差异图 注：图1a为理筋伴针刺组，图1b为理筋组。误差条代表标准差

2.3 连边分析

理筋伴针刺组治疗后发现一神经回路连接强度较治疗前减弱，包括86 条连边，涉及73 个节点（图2）。大部分连边在空间上表现为跨大脑镰和小脑幕的长距离连接（50/86，58.1%），即使连接的脑区处于同一大脑半球，在空间上也常表现为跨脑叶分布；在功能上则更多表现为涉及多个子网络的网络间连接（71/86，82.6%）；理筋组则未发现连接强度改变。2 组治疗前后组间比较，差异均无统计学意义（均P＞0.05）。

图2 理筋伴针刺组治疗前后功能脑网路连接强度差异图 注：治疗后理筋伴针刺组连接强度减弱的神经回路，蓝色连线是发生改变的连边，连线连接的矩形及小球展示了连边涉及的脑区

2.4 相关性分析

经筋治疗前后 的Eglob、γ 和σ 与SGT 均呈负相关（r=-0.223，P=0.050；r=-0.230，P=0.043；r=-0.245，P=0.030），而Lp 与SGT 呈正相关（r=0.258，P=0.023）（图3）。

图3 网络拓扑参数与舒尔特方格时间（SGT）的相关性

3 讨论

本试验使用图论方法分析健康志愿者经筋治疗前后功能脑网络的拓扑结构，治疗后网络在排布特点上表现出更明显的小世界网络属性，其中理筋伴针刺组更显著，提示治疗后功能网络能以更高的效率和更低的能耗完成信息传输［16］，与志愿者明显提高的反应力和注意力相一致。该结果符合试验预期，间接反映了经筋疗法在中枢神经系统治未病方面存在潜在的神经作用机制。

3.1 功能网络拓扑结构优化及任务表现

人脑具有功能整合和功能分离［17］两大组织原则，能够快速提取并处理信息。功能整合指网络组织来自不同脑区专业信息的能力，而功能分离指在相连的多个脑区内进行信息专门处理的能力［11］。与治疗前相比，治疗后理筋伴针刺组和理筋组功能网络的Eglob 提高而Lp 减低，提示2组网络的整合能力均增强。治疗后理筋伴针刺组的γ 降低而σ 显著提高，理筋组在这2 个参数变化上虽差异无统计学意义，但也表现出了同样的变化趋势，提示治疗后功能网络虽分离能力减弱，信息传输效率却得到提高，其整合和分离能力处于更合理的平衡点，有利于任务的完成［18］。研究显示，在学习过程早期，被试者的行为会更灵活可控，而随着对任务内容越来越熟悉，行为将倾向于自动化，因为执行任务的最有效手段是重复的［19］。即在执行任务的初始阶段，大脑需更强的整合能力来完成任务，而随着对任务内容熟悉度增高，大脑功能会表现出更明显的模块化和对分离能力的需求。本研究中，志愿者虽提前对试验内容进行了练习，但短期练习无法使志愿者产生自动化适应，即任务期间仍需较强的整合能力去习惯试验内容，而经筋治疗提高网络整合能力的作用为这个过程提供了基础，解释了理筋伴针刺组和理筋组在治疗后均表现更好的原因。

相关性分析的结果也验证了这一点，Eglob 与SGT 呈负相关，而Lp 与SGT 呈正相关，提示志愿者的网络整合能力越强，其完成SG 测试的时间越短。而γ 和σ 与SGT 呈负相关，则提示志愿者功能脑网络趋近于小世界网络，有助于其更快地完成SG测试任务。

3.2 功能网络连接状态重新配置

连边分析显示治疗后理筋伴针刺组一神经回路的连接强度减弱，该回路包括86 条连边和73 个节点，涉及全脑大部分脑区和子网络，且大部分连边以长距离连接（50/86，58.1%）和网络间连接（71/86，82.6%）这种高布线成本的形式存在。可见，经筋治疗后功能脑网络似乎在向一个更加“节能”且“简洁”的连接模式转变。Kitzbichler 等［20］使用脑磁图研究功能脑网络，发现在工作记忆任务中网络表现出高效率和高比例的长距离、模块间连接。当认知需求降低时，网络则以较小比例的长距离连接重新配置，即功能网络通过快速转换模式以实现效率和成本（连接距离）之间的权衡。从这一点上看，经筋治疗强化了志愿者非任务状态下低成本网络配置的特性（与小世界网络低能耗的特性相一致）。大脑的认知资源通常被认为是有限的，其网络能力的形成是成本和效率因素在经济上进行取舍的结果［21］。当执行认知任务时，网络倾向于高效且高成本的工作空间配置；认知需求降低时，网络则转变为低成本的网格状配置。推测经筋治疗强化了志愿者非任务状态下低成本网络配置的作用，有利于认知资源的积聚，这为任务状态下功能网络调用更多资源维持认知能力和执行认知任务提供了资源基础。

3.3 经筋疗法治未病机制探讨

经筋治疗对功能网络运行模式的优化和对认知能力的强化作用，两者相互关联、互为表里［22］。文献表明，认知训练能改善神经网络连接的效果，是预防和干预认知障碍疾病的重要手段［23-25］。Zhao 等［24］发现，创造性表达任务可通过增强神经认知网络的功能可塑性来改善轻度认知障碍老年人的认知激活。另有文献提示，阿尔茨海默病患者的大脑网络拓扑结构在向牺牲整合能力的方向偏离［21］。而Koch等［26］的研究则发现，对楔前叶行重复磁刺激能减缓阿尔茨海默病患者认知功能衰退的进展，认为相应治疗可能改善了楔前叶的皮质可塑性。基于此，推测经筋治疗对功能网络的有益重塑是其完成治未病功能的重要机制之一，且可能起到了与认知训练和经颅磁刺激相同的效果，相应机制的作用通道和信息传递介质有待进一步研究。

本研究中，在功能网络结构优化和连接状态调整上理筋伴针刺组均表现出比理筋组更显著的效果；在反应力的提高上，理筋伴针刺组也表现出更强的稳定性。由此可见，基于经筋理论的筋膜针刺法在保证甚至增强经筋疗法治疗效果方面具有极大价值。这可能与针刺基于“以灶为腧”的理念对经筋通道上的筋结点进行松解，间接促进了经络的信息传递效率有关［27］；针刺通过激活更多通道和介质作用于大脑网络，强化治疗效果也是一个重要原因［6］。基于经筋理论的针刺操作并不一定作用于传统穴位，也有大量研究显示非穴位区针刺也有治疗效果［28］。针刺强化经筋治疗效果的作用机制可作为今后另一个有价值的探索方向。

本研究仍存在一些局限性：样本量仍较小，且未对志愿者治疗后进行更长时间的追踪，今后应增加样本量并延长观察时间，完善试验设计；功能网络构建过程的部分参数设置目前仍未有研究提出最优选择，在不同参数设置下重复试验有助于提高试验结果的可靠性。

总之，经筋治疗能够重塑功能脑网络拓扑结构、优化其信息处理模式，进而增强志愿者的反应力和注意力，这种重塑作用可能是其治未病疗效的作用基础。而针刺松解筋结点作为经筋疗法的重要组成部分，对功能网络的结构重塑有重要作用。本试验为研究经筋疗法对中枢神经系统疾病的预防和治疗机制提供了新的思路和方法。