針刺臨床研究中常用的Rs-fMRI分析方法：10年概況

高 璇，魯 海，高霄英，張春紅

1天津中醫(yī)藥大學(xué)針灸臨床部，天津300193；2天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，天津301617；3寶安純中醫(yī)治療醫(yī)院針灸推拿康復(fù)科，廣東 深圳518000；4國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津300381

功能性磁共振成像（fMRI）是以腦神經(jīng)活動產(chǎn)生的局部血流量變化為基礎(chǔ)的造影技術(shù)，藉此觀察進行認(rèn)知作業(yè)時活化的腦部區(qū)域；活化區(qū)域的血流量提高，使局部耗氧量過度，因此血液中的去氧紅素的比例降低，由于去氧血紅素是順磁性物質(zhì)，對局部磁場有干擾的作用，此種物質(zhì)的比例減少，可使影像強度增強，因此去氧血紅素有時被稱為內(nèi)生性的對比增強劑，且是功能性磁共振成像訊號的來源，是功能性磁共振成像技術(shù)的生理基礎(chǔ)[1-3]。針刺作為祖國醫(yī)學(xué)重要的一部分，其作用機理一直未被闡明，fMRI的出現(xiàn)為廣大學(xué)者研究針刺作用機制提供了一種直觀可視的研究技術(shù)。其作為一種非侵入、無幅射、無創(chuàng)傷、可精確定位的技術(shù)，能即時直觀反應(yīng)大腦高級功能，彌補了針灸與腦相關(guān)性研究中不可視、創(chuàng)傷性的缺陷。靜息狀態(tài)指的是被試者清醒狀態(tài)下，靜息放松地平臥于檢查床，固定頭部，并最大限度減少頭部及身體其他部位的主動及被動活動，盡量不做任何思維活動。早期這種靜息狀態(tài)被認(rèn)為是一種穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)下的腦活動被認(rèn)為是無規(guī)律的背景噪聲，很少被注意及重視；但后續(xù)研究提示靜息狀態(tài)下大腦的這種自發(fā)活動是有規(guī)律的，間接提示大腦在無任務(wù)的靜息狀態(tài)下也存在重要的自發(fā)功能活動。

fMRI靜息狀態(tài)下的腦功能的分析方法歸納起來有：局部一致性（ReHo）、低頻振幅分析（ALFF）、分?jǐn)?shù)低頻振幅（fALFF）、功能連接性分析（FC）、度中心分析方法（DC）、大腦功能連接密度（FCD）、獨立成分分析方法（ICA）、小世界網(wǎng)絡(luò)分析方法等，其中前3種分析方法在針刺研究中使用較多。本文將闡述ReHo、ALFF、FC 3種分析方法在針刺研究中的適用研究方向。

1 ReHo分析法

ReHo采用肯德爾和諧系數(shù)來衡量一個功能團塊內(nèi)所有體素時間序列的一致性，可以間接反映局部腦區(qū)自發(fā)神經(jīng)功能活動的同步性。局部一致性分析可在全腦范圍內(nèi)對局部功能活動差異性腦區(qū)進行準(zhǔn)確定位，其值的增高或降低則提示該腦區(qū)神經(jīng)元功能活動異常[4]。ReHo值反映的是腦區(qū)局部BOLD信號時間序列的同步性，而不是信號強度，以ReHo值的高低間接反映腦區(qū)局部神經(jīng)元活動的同步性，利用活躍腦區(qū)神經(jīng)元活動同步性較強的特點，反映腦區(qū)的活動性。所以該分析方法適用于觀察針刺穴位前后后腦區(qū)激活與否的實時效應(yīng)。有研究運用ReHo分析方法觀察電針刺激百會穴前后腦區(qū)的不同變化[5]，發(fā)現(xiàn)電針刺激百會穴時與針刺前相比，ReHo值增高的腦區(qū)有兩側(cè)中央后回、兩側(cè)中央前回、右側(cè)顳上回、兩側(cè)舌回、右側(cè)腦島、左側(cè)距狀裂；ReHo值減低的腦區(qū)有兩側(cè)楔前葉、小腦，證明了電針刺激百會穴前后所激活腦區(qū)有所不同。有研究觀察平衡針針刺頭痛穴對無先兆偏頭痛患者的鎮(zhèn)痛效應(yīng)，運用ReHo分析方法探討其與腦區(qū)功能改變的關(guān)系，研究顯示，頭痛穴組ReHo改變的腦區(qū)明顯多于非穴組，包括前扣帶回、后扣帶回、腦島、海馬、腹外側(cè)核、腹后內(nèi)側(cè)核、中央前回、眶額上回、頂下小葉等，變化腦區(qū)主要在邊緣系統(tǒng)和中腦皮層，而非穴組的變化腦區(qū)相對較少且分散[6]。表明平衡針針刺頭痛穴的鎮(zhèn)痛效應(yīng)可能與以邊緣系統(tǒng)為主的多個腦功能區(qū)互相作用有關(guān)。上述研究表明針刺頭部不同穴位可實時激活的腦區(qū)有所不同，進一步證明頭部不同穴位的針刺效應(yīng)是不同的。管媛媛等[7]使用胃俞募配穴針刺對功能性消化不良患者靜息態(tài)腦功能分析，研究表明胃俞募配穴針刺可引起功能性消化不良患者多個腦區(qū)ReHo值變化且其對胃運動調(diào)節(jié)效應(yīng)優(yōu)于非穴，海馬、后扣帶回等腦區(qū)可能參與了針刺對胃運動的調(diào)節(jié)。這說明針刺對于不同疾病在腦部可能存在靶效應(yīng)區(qū)域，進而通過腦部影響到該疾病的靶器官。有研究觀察針刺陽陵泉對中風(fēng)偏癱病人大腦皮層ReHo影響的特征發(fā)現(xiàn)，中風(fēng)偏癱病人多個運動相關(guān)腦區(qū)的ReHo值存在異常變化，而針刺陽陵泉可通過調(diào)節(jié)上述腦區(qū)的ReHo值，促進腦功能重塑與代償[8]。

2 ALFF分析法

2.1 ALFF

ALFF主要反映大腦的自發(fā)波動和功能活動，是先將每個體素的時間序列通過0.01～0.08 Hz帶通濾波器，保留低頻段的BOLD信號，然后通過傅立葉變化后得到功率譜，并對其開方，得到BOLD信號的振幅，再計算0.01～0.08 Hz的所有頻率點上振幅值的平均值即為ALFF[9]。其從能量角度量化每個體素在相應(yīng)低頻振蕩下的BOLD信號，間接反應(yīng)大腦神經(jīng)元自發(fā)性活動的強弱變化，早期常用于認(rèn)知障礙的研究[10]。ALFF值增高說明神經(jīng)元興奮性增高，降低表明神經(jīng)元興奮性下降。ALFF也可以反映區(qū)域腦血流情況，與局部大腦自發(fā)性活動相聯(lián)系[11]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在腦血流量降低的腦區(qū)ALFF值下降，反之，腦血流升高的腦區(qū)ALFF值增高，其原理可能與微血管密度增加、血管擴張，或神經(jīng)活動補償增加有關(guān)[12]。有研究觀察胃俞募配穴與胃俞、中脘單穴針刺對胃擴張受試者大腦自發(fā)神經(jīng)活動ALFF的影響，發(fā)現(xiàn)胃俞募配穴針刺相比胃俞、中脘單穴針刺可引起更廣泛的腦區(qū)ALFF值發(fā)生改變[13]，這說明俞募配穴比針刺單穴的血局部腦區(qū)血流量增加。有學(xué)者以18例功能性消化不良患者和18名健康受試者為研究對象，功能性消化不良患者組予以雙側(cè)胃俞+中脘針刺治療，健康受試者組不做治療，倆組都進行rs-fMRI掃描。研究發(fā)現(xiàn)，與健康受試者比較，功能性消化不良患者組患者的額葉、枕葉、顳葉、小腦、頂下小葉等腦區(qū)ALFF值改變具有統(tǒng)計學(xué)差異，針刺胃俞募配穴可糾正功能性消化不良患者部分ALFF值異常腦區(qū)神經(jīng)元活動強度[14]。王豐等[15]觀察輕度認(rèn)知功能障礙患者針刺治療前后腦區(qū)ALFF值的改變，分析發(fā)現(xiàn)相比治療前，針刺后輕度認(rèn)知功能障礙患者ALFF值增高的腦區(qū)有右側(cè)海馬旁回、左側(cè)丘腦、右側(cè)島葉、左側(cè)前扣帶回；ALFF值減低的腦區(qū)有左側(cè)小腦后葉、雙側(cè)顳下回、左側(cè)額下回、左側(cè)顳中回、左側(cè)枕下回、左側(cè)頂上小葉。這表明輕度認(rèn)知功能障礙患者針刺治療前后多個腦區(qū)ALFF值發(fā)生改變，針刺增強了與認(rèn)知功能相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)活動，同時也使治療前功能活動增強的代償腦區(qū)ALFF值下降。針刺可調(diào)節(jié)多個腦區(qū)的神經(jīng)活動，針刺可降低病理狀態(tài)下腦區(qū)活動增強區(qū)域（即ALFF增高區(qū)域）；相反，對于ALFF降低區(qū)域，針刺可使其升高，即針刺可平衡病理狀態(tài)下腦區(qū)神經(jīng)元的異常興奮。

2.2 fALFF

fALFF也是常用分析方法，即ALFF值除以整個頻段ALFF值得到，相較于ALFF，fALFF的優(yōu)點在于可以抑制大腦非特異區(qū)域（如腦脊液和大血管周圍組織）中的混雜信號，但重復(fù)性略低[16]。有研究運用Rs-fMRI技術(shù)分析針刺間使穴前后健康被試者腦內(nèi)fALFF在不同時間序列內(nèi)變化特征，針刺間使穴后腦內(nèi)fALFF變化區(qū)域主要為雙側(cè)額上回、楔前葉、額中回、額內(nèi)側(cè)回、枕中回和右側(cè)緣上回，這些腦區(qū)功能與間使穴臨床治療情緒、記憶、注意、語言及肢體運動障礙等功效具有較大相關(guān)性[17]。有學(xué)者利用fALFF分析法分析醒腦開竅針刺法對老年輕度腦外傷后認(rèn)知功能障礙的治療作用[18]，發(fā)現(xiàn)本研究發(fā)現(xiàn)老年輕度腦外傷患者與健康老人比較，雙側(cè)額葉、顳葉、頂葉、枕葉、基底節(jié)區(qū)的fALFF明顯降低，尤以雙側(cè)額葉靠近中線及前部區(qū)、雙側(cè)頂葉靠近中線區(qū)及左頂葉的角回、左顳葉明顯，上述區(qū)域與患者的感知、記憶、判斷、決策等功能密切相關(guān)，因此老年輕度腦外傷患者這些區(qū)域fALFF的降低，可能由于輕度腦外傷患者認(rèn)知功能受損。以上研究表明fALFF適用于研究一些功能相關(guān)的腦區(qū)的激活，如在情緒、極易、感知、判斷等腦部活動時，通常會有腦區(qū)聯(lián)合被激活。

3 FC分析法

在fMRI中，每個體素都包含一串時間序列，代表該區(qū)域的血氧水平依賴隨時間的變化，通常將兩個腦區(qū)時間序列的相關(guān)值作為功能網(wǎng)絡(luò)的連邊，即功能連接。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的正負(fù)還可以進一步將功能連接區(qū)分為功能協(xié)同或功能拮抗[19]。FC分析法通常分為兩種：一種是基于種子感興趣區(qū)（ROI）的功能連接分析方法，另一種是基于ICA的功能連接分析法?；赗OI功能連接分析是選定體素或ROI與其它體素或ROI時間序列的相關(guān)性，優(yōu)點在于簡單、敏感、易解釋，缺點在于必須定義種子區(qū)、不能同時研究多個系統(tǒng)、提取的波形并非獨立變量。ICA是另一種被廣泛使用刻畫大腦無向功能網(wǎng)絡(luò)的方法[20]。該方法基于數(shù)據(jù)驅(qū)動不需要先驗假設(shè)（如ROI的選擇）?；贗CA的功能能連接分析法是通過對大腦內(nèi)神經(jīng)元與非神經(jīng)元的混合信號進行盲分解，進而提取多個時間或空間上獨立的網(wǎng)絡(luò)模式（成分），用來描述采集數(shù)據(jù)的各個獨立的功能網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點包括：不需要定義種子區(qū)；可獲得統(tǒng)計上的獨立的組分；每個組分對應(yīng)于一個空間圖（噪聲、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。缺點在于：結(jié)果與主觀確定的組分?jǐn)?shù)有關(guān)；組分的生物學(xué)意義需要根據(jù)人為定義的標(biāo)準(zhǔn)確定，解釋復(fù)雜。

有學(xué)者對16名健康受試者行委中穴淺刺（2 mm）及深刺（10～20 mm）后，分別行靜息態(tài)fMRI掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)淺刺時16位志愿者均未出現(xiàn)得氣感，然而有14位志愿者在深刺時出現(xiàn)了得氣感[21]。運用基于ROI的FC分析后發(fā)現(xiàn)，深刺后得氣調(diào)節(jié)大腦和小腦的多個層面的神經(jīng)活動，降低了默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和疼痛矩陣網(wǎng)絡(luò)的功能連通性，而增加了右后小腦葉、左側(cè)副海馬的連通性。淺刺時發(fā)現(xiàn)，右側(cè)（中央前回、額上回、小腦扁桃體）和丘腦兩側(cè)功能連接增加而右側(cè)額前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)功能連接減少。有學(xué)者對24例左側(cè)基底節(jié)區(qū)缺血性卒中患者針刺外關(guān)穴治療，運用基于ROI的FC分析發(fā)現(xiàn)，針刺外關(guān)穴可調(diào)節(jié)同側(cè)大腦半球感覺運動網(wǎng)絡(luò)，刺激對側(cè)感覺運動網(wǎng)絡(luò)，增加雙側(cè)感覺運動網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)合作，改變小腦與大腦的同步性，其機制可能與針刺外關(guān)穴對不同腦區(qū)內(nèi)不同區(qū)域間的同步調(diào)控有關(guān)[22]。研究發(fā)現(xiàn)針刺治療后患者對側(cè)感覺運動網(wǎng)絡(luò)的刺激和雙側(cè)大腦半球合作的增加，這表明針刺可刺激完整大腦半球?qū)κ軗p神經(jīng)功能的補償作用。韓笑等[23]運用基于ICA的功能連接分析法運用分析腦卒中對執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)(ECN)功能連接度影響，觀察針刺腦卒中患者陽陵泉穴的即刻效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運動通路的損傷影響ECN功能，可能是由于病灶對側(cè)運動相關(guān)腦區(qū)代償性激活增強的原因。針刺效應(yīng)可通過降低ECN在病灶側(cè)的功能連接度，減弱該網(wǎng)絡(luò)對運動相關(guān)腦區(qū)的抑制作用，從而促進病灶側(cè)運動相關(guān)腦區(qū)的功能恢復(fù)，以利于卒中后與運動康復(fù)相關(guān)的腦功能重塑。以上研究表明，大腦一側(cè)區(qū)域后，對側(cè)區(qū)域的大腦活動會代償性增強，而針刺效應(yīng)可以糾正這種病理性大腦活動，從而使大腦的活動趨于平衡。

4 討論

針灸是一種歷史悠久，療效顯著的治療方法，但是其作用機制目前尚不明確，靜息態(tài)功能核磁的出現(xiàn)，為解開針灸“密碼”提供了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段。我國李果珍教授團隊于2000年發(fā)現(xiàn)了手針針刺足三里腦區(qū)有激活信號[24]。這一重大發(fā)現(xiàn)將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與針灸緊密相連，為學(xué)者解開針灸作用中樞機制提供了方法。fMRI這項無創(chuàng)、可視化技術(shù)可以對大腦神經(jīng)元在靜息狀態(tài)下的功能活動狀態(tài)進行宏觀定量檢測，直接記錄大腦生理活動，從而更加客觀地反映腦功能狀態(tài)，不僅在針刺中樞響應(yīng)機制研究中具有獨特的優(yōu)勢，也是為國際腦神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的主流手段之一。運用不同的分析方法可以顯示針刺不同穴位的腦部活動，如局部神經(jīng)活動的同步性、相鄰腦區(qū)之間的連接性及大腦的自發(fā)波動及功能活動等。由此，我們可以分析針次不同穴位在腦部的作用靶點，從而在臨床中可以根據(jù)不同疾病更有效的選取穴位。

ReHo、ALFF、FC都是針刺Rs-fMRI研究中常用的分析法。ReHo描述的是某個體素與周圍相鄰圖索引時間序列的同步性，但不一定說明局部神經(jīng)活動越顯著，所以ReHo在針刺研究中可用于研究某穴位激活或抑制，某個腦區(qū)或某幾個腦區(qū)，從而得出該穴位的靶效應(yīng)腦區(qū)，為研究“穴位-腦-疾病”打下基礎(chǔ)。但是ReHo不適用于多穴研究，多穴研究的腦區(qū)激活與抑制關(guān)系復(fù)雜，難以分析。ALFF可直接反映局部神經(jīng)元自發(fā)同步化神經(jīng)活動的強度，在一定程度上反映各相關(guān)腦區(qū)間的相互作用和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接，且短期內(nèi)穩(wěn)定性和重復(fù)性比較好，但不能反映局部腦區(qū)在全腦功能中的作用以及腦區(qū)之間的功能連接情況。FC可以得出腦區(qū)之間的功能連接，即腦區(qū)間的“高速路”，其簡單易懂，結(jié)果直接，但需要經(jīng)驗首先定義種子點，這就存在一定的選擇偏倚。以上3種方法各有其優(yōu)缺點，有時一個研究中不僅使用一種單一分析方法，還會多種分析方法聯(lián)合使用，從而得到更為直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。此外，Rs-fMRI的分析方法還有：DC將每個體素視為一個節(jié)點，計算每個節(jié)點與其他節(jié)點功能連接的數(shù)量，一個像素或一個腦區(qū)節(jié)點的DC值越高，提示其在全腦網(wǎng)絡(luò)融合中發(fā)揮的作用越強[16]。FCD是一種基于靜息態(tài)功能影像數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法計算全腦每個體素到其它所有體素的功能連接，并根據(jù)特定閾值計算出該腦區(qū)的全局功能連接密度值[25]。某腦區(qū)的FCD值越大，提示該腦區(qū)與全腦的連接越緊密，在全腦信息加工中的地位也越高，往往提示該腦區(qū)是認(rèn)知加工的核心樞紐，而且這種算法對于個體差異的識別更加敏感[26]。ICA方法是由解決盲源分離技術(shù)發(fā)展而來的一種靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)分析方法，是一種多通道信號處理方法，可以在不需要任何有關(guān)時間序列的先驗假設(shè)下，有效探測出一些其他方法無法得到的激活區(qū)域[27]。小世界網(wǎng)絡(luò)分析方法是一種將目標(biāo)腦區(qū)視為節(jié)點，以加權(quán)矢量或標(biāo)量表示節(jié)點之間的連接信息，進而計算出全腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?，是一種綜合評價全腦腦區(qū)之間作用機制的方法[28]。

目前，Rs-fMRI在針刺研究中取得了階段性成果，但是針刺研究中設(shè)計方法各式各樣，尚沒有統(tǒng)一范式運用在此，也缺乏多中心大樣本研究。而且，目前RsfMRI研究由于方法局限性，目前單穴及雙穴的研究較多，但臨床中常以組穴同時刺激，穴位之間存在疊加效應(yīng)，這部分的研究尚不明確。