丘腦在經皮穴位電刺激鎮痛效果中的作用

張磊，羅芳，李歡冬，王保國，劉曉媛

針刺鎮痛是中醫針灸研究領域最具標志性的成果之一。業已證實經皮穴位電刺激(transcutanous acupoint electrical stimulation,TAES)具有與針刺相似的鎮痛效應。大量研究表明，丘腦是與疼痛及鎮痛密切相關的腦區[1-3]。本研究以丘腦為感興趣腦區(ROI)，以健康志愿者為研究對象，利用功能連接的分析方法，探討丘腦在TEAS中樞鎮痛機制中的作用。

1 資料與方法

1.1 一般資料 經首都醫科大學附屬北京天壇醫院倫理委員會批準，選擇健康受試者14例，男、女各7例，均為右利手，無明顯系統并發癥，ASA分級為Ⅰ～Ⅱ級，年齡(30±8)歲，身高(164±7)cm，體重(58±10)kg，體質量指數(BMI)(21±3)kg/m2。排除標準：精神神經系統疾患史，腦外傷史，顱腦手術史，對針灸有較多了解或較長經歷，長期服用鎮靜、鎮痛藥物史，長期大量吸煙、飲酒史，有磁共振掃描禁忌。所有受試者于實驗前已清楚了解實驗方法、目的及相關知識，并簽署知情同意書。

1.2 穴位及電刺激參數 每位受試者接受兩組穴位經皮電刺激，一組為金門穴連太沖穴，另一組為足三里穴連丘墟穴，穴位處貼3M電極片，并分別連接LH202H型韓氏穴位神經刺激儀(北京華衛有限公司)。電刺激頻率為2 Hz、100 Hz疏密波，每3 s交替一次，2 Hz時波寬0.6ms，100 Hz時0.2ms，完全對稱雙向脈沖波；刺激強度為患者能耐受且不引起疼痛及不適的最大強度，其中金門穴連太沖穴為3～10mA，平均(6.9±2.6)mA；足三里穴連丘墟穴3～10mA，平均(7±2.3)mA。

1.3 實驗設計 受試者掃描前6 h禁食，4 h禁飲。掃描前1 h定穴位，測試并記錄電刺激強度。掃描前0.5 h開放左側肘正中靜脈，置入18號套管針，輸入乳酸鈉林格氏液200～300ml，并囑受試者仰臥位閉目休息0.5 h。實驗正式開始時，應用惠普監測儀實時監測心電圖、無創血壓(右側上臂)及血氧飽和度(SpO2)。首先進行基礎階段掃描，包括定位、勻場、BOLD及3D結構相，持續約12min。基礎掃描結束，開始經皮穴位電刺激，待刺激持續30min后，進行第二階段BOLD掃描，即刺激后掃描，持續5min。

在數據采集過程中，被試仰臥于fMRI掃描床上,頭部固定于線圈內，頭顱與線圈之間用海綿墊填充固定以控制頭動，同時使用耳塞并頭帶耳機以減少外界噪聲的干擾。整個掃描過程中，要求受試者閉目、不動、不深入思考某一問題。實驗過程約持續約50min。

1.4 數據獲取 磁共振數據采集由北京天壇醫院3.0 T西門子磁共振儀完成。功能像掃描參數如下：回波平面成像序列，軸狀位掃描，重復時間(repetition time,TR)2 s，掃描層數32，層厚4mm，層間距0mm，回波時間(echo time,TE)30ms，反轉角(flip angle,FA)90°，層內分辨率64×64。結構像掃描參數如下：矢狀位掃描，TR 2100ms，掃描層數250層，層厚1mm，層間距0.5mm，TE 3.25ms，FA 10°，層內分辨率256×256。

1.5 數據分析 數據預處理所采用的軟件及開發平臺包括Statistical Parametric Mapping(SPM8，Wellcome Department of Imaging Neuroscience,London,UK)及MATLAB(The MathWorks，Inc.)。為減少 fMRI信號的不穩定性，在預處理時將150幅圖像中的前5幅刪除，并依次對圖像進行采集時間校正、頭動校正、空間標準化、空間平滑，等預處理。x、y、z 3個方向上平移頭動幅度＜2mm，旋轉頭動角度＜2°。用線性回歸方法去除線性漂移、全腦均值及6個頭動參數對時間序列的影響，并對信號進行帶通濾波(0.01～0.08 Hz)以去除低頻漂移和高頻噪音的影響，得到低頻振蕩信號。

1.6 感興趣區分析 以丘腦作為種子點，采用已廣泛使用的軟件WFU_PickAtlas將左右兩側AAL分區的丘腦選擇為ROI，分別取左、右丘腦，丘腦平均時間序列作為參考序列，計算全腦每個體素與該參考序列的相關系數，并通過Fish's r-to-z變換，將相關系數轉換成z值。設定單個體素的閾值為P＜0.005,cluster＞10mm3。

2 結果

與基礎狀態比較，經皮穴位電刺激后，各項生理參數均無明顯變化。見表1。

表1 經皮穴位電刺激對生理參數的影響(n=17)

與基礎階段比較，經皮穴位電刺激30min后，與丘腦功能連接減弱的腦區包括：雙側楔前葉、雙側頂上小葉、左側顳下回、右側顳中回、右側額中回；與丘腦功能連接增強的腦區包括：雙側小腦、雙側島葉、基底神經節、雙側額下回、左側額葉眶回、左側顳上回(圖1、圖2)。功能連接變化的腦區對應的坐標及T值見表2。

3 討論

針刺鎮痛是中醫針灸研究領域最有標志性的成果之一。大量臨床實踐已證明，針藥復合麻醉下開顱手術可以明顯減少麻醉藥用量。但針刺麻醉及鎮痛的確切中樞機制仍不清楚。經皮穴位電刺激是一種經皮神經電刺激(TENS)與針灸穴位療法結合的新型針灸治療方法，業已證實具有與針刺相似的鎮痛效應和外周、中樞作用機制，并因具有無創傷、易操作、患者依從性好、外科醫生易配合等優點而廣泛應用于臨床及科研中[4-5]。

fMRI因具有較高的時間、空間分辨率，無放射性等優點而成為無創進行人腦功能研究的最主要工具。近年來已有學者利用fMRI的時間、空間分辨優勢，觀察經皮穴位電刺激前后腦區間功能連接的變化，為臨床針刺對于腦功能的影響提供實驗依據。功能連接是指空間上分離的部位，在神經生理活動過程中的相互關系[6]，是根據不同腦區時間過程的相關性來研究其間的功能連接性。2007年，有人提出用靜息態功能連接度的分析方法來研究針刺[7]。

圖1 經皮穴位電刺激后功能連接變化(橫斷面，P＜0.005,cluster＞10mm3)

圖2 經皮穴位電刺激后功能連接變化(冠狀位，P＜0.005,cluster＞10mm3)

表2 與丘腦功能連接發生變化的腦區

大量研究表明，丘腦是與急慢性疼痛、鎮痛密切相關的重要腦區[8-12]。近年來，亦有部分研究指出丘腦在針刺、TAES鎮痛過程中被激活[1-3]。

本研究結果顯示，經皮穴位電刺激30min后，相較基礎階段與丘腦功能連接減弱的腦區包括雙側楔前葉、雙側頂上小葉、左側顳下回、右側顳中回、右側額中回；與丘腦功能連接增強的腦區包括雙側小腦、雙側島葉、基底神經節、雙側額下回、左側額葉眶回、左側顳上回。上述腦區與以往關于疼痛及鎮痛機制研究中顯示的結果相似。

島葉是所有腦葉中惟一位于腦白質內的皮質，參與情緒刺激的自主調節、對不良刺激的評估，以及自我感受等內在情緒的產生，并被認為能起到調節疼痛的作用[13-14]。楔前葉是人腦子網絡中的關鍵性節點，在信息調度和傳遞中占據重要地位，并作為大腦的高度警備活動狀態的腦區，負責不斷地收集周圍世界和我們自身的信息(例如疼痛、饑餓或渴)，自動對這些資源進行分配[15]。基底神經節由尾狀核、蒼白球、殼核組成，其主要功能為自主運動的控制，同時還參與情感、記憶、獎勵學習等高級認知功能。運動皮層也參與對刺激強度的分辨。有fMRI研究發現，痛覺刺激使同側小腦激活的程度隨刺激強度增加而增加。額葉是認知和情感活動的主要腦區，能對外來刺激進行分析和整合，評判其重要性，進而判斷這個刺激的動機價值[16]。顳葉對人類的情緒與心理活動起著重要的作用。Hsieh等對慢性單神經痛患者采用利多卡因(1idocaine)行局部神經阻滯，發現疼痛緩解的同時，島葉、后頂皮層、前額葉、小腦和前扣帶回的右后部分雙側局部血流量減少[17]，與本研究中與丘腦功能連接發生改變的腦區相似。

本研究表明，丘腦在TAES鎮痛過程中同多個與疼痛相關的關鍵性腦區之間發生了功能連接的改變。這些腦區同時涉及疼痛信息的感覺辨別成分和認知、情緒調節成分。可以認為，丘腦在TAES中樞鎮痛機制中起到了重要作用，而小腦、楔前葉、島葉、基底神經節、頂上小葉、額葉眶回、額中回、額下回、顳葉等腦區與丘腦間功能連接的改變是丘腦鎮痛機制的重要組成部分。此外，丘腦及上述腦區有可能參與了TAES鎮痛過程中形成的腦網絡。有關上述腦區在TAES鎮痛機制中的作用，及TAES鎮痛狀態下所形成的腦網絡有待進一步研究。

[1]Cho SY,Jahng GH,Park SU,et al.fMRI study of effect on brain activity according to stimulation method at LI11,ST36:painful pressure and acupuncture stimulation of same acupoints[J].JAltern Complement Med,2010,16(4):489-495.

[2]Yeo S,Choe IH,van den Noort M,et al.Consecutive acupuncture stimulations lead to significantly decreased neural responses[J].JAltern Complement Med,2010,16(4):481-487.

[3]Dougherty DD,Kong J,Webb M,et al.A combined11C diprenorphine PET study and fMRI study of acupuncture analgesia[J].Behav Brain Res,2008,193(1):63-68.

[4]Mello LF,Nóbrega LF,Lemos A.Transcutaneous electrical stimulation for pain relief during labor:a systematic review and meta-analysis[J].Rev Bras Fisioter,2011,15(3):175-184.

[5]Wang N,Hui-Chan C.Effects of acupoints TENS on heat pain threshold in normal subjects[J].Chin Med J(Engl),2003,116(12):1864-1868.

[6]Lowe MJ,Mock BJ,Sorenson JA.Functional connectivity in single and multislice Echoplanar imaging using resting-state fluctuations[J].NeumImage,1998,(7):119-132.

[7]Kong J,Gollub RL,Webb JM,et al.Test-retest study of fMRI signal change evoked by electroacupuncture stimulation[J].Neuroimage,2007,34(3):1171-1181.

[8]Heinke W,Schwarzbauer C.In vivo imaging of anaesthetic action in humans:approaches with positron emission tomography and functional magnetic resonance imaging[J].Br J Anaesth,2002,89:112-122.

[9]Becerra L.Functional magnetic resonance imaging measures of the effects of morphine on central nervous system circuitry in opioid-naive healthy volunteers[J].Anesth Analg,2006,103:208-216.

[10]Rogers R,Wise RG.An investigation to dissociate the analgesic and anesthetic properties of ketamine using functional magnetic resonance imaging [J].Anesthesiology,2004,100:292-301.

[11]Sprenger T,Woltmann R,Zimmer C,et al.Imaging pain modulation by subanesthetic S-(+)-ketamine[J].Anesth Analg,2006,103:729-737.

[12]Kinomura S,Larsson J,Gulyas B,et al.Activation by attention of the human reticular formation and thalamic intralaminar nuclei[J].Science,1996,271(5248):512-515.

[13]Bai L,Tian J,Zhong C,et al.Acupuncture modulates temporal neural responses in wide brain networks:evidence from fMRI study[J].Mol Pain,2010,6:73.

[14]Smith JK,Humes DJ,Head KE,et al.fMRI and MEG analysis of visceral pain in healthy volunteers[J].Neurogastroenterol Motil,2011,23(7):648-e260.

[15]Zyloney CE,Jensen K,Polich G,et al.Imaging the functional connectivity of the Periaqueductal Gray during genuine and sham electroacupuncture treatment[J].Molecular Pain,2010,6:80-91.

[16]Volkow ND,Fowler JS,Wang GJ.The addicted human brain:insights from imaging studles[J].J Clin Invest,2003,111(10):1444-1451.

[17]Hsieh JC,Belfrage M,Stone-Elander S,et al.Central representation of chronic ongoing neuropathic pain studied by positron emission tomography[J].Pain,1995,63(2):225-236.