基于格蘭杰因果分析的針刺不同效應(yīng)階段中樞神經(jīng)傳導(dǎo)通路研究

孫傳鑄，白麗君*，牛璇，陳紅艷，陳鵬，張明，勞力行

1.西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049

2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科，西安 710061

3.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院放射科，北京 100050

4.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院針灸中心，北京 100010

5.香港大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院，香港

6.美國(guó)馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院結(jié)合醫(yī)學(xué)中心，巴爾的摩 21201

針刺作為一種補(bǔ)充與替代醫(yī)療方式，近年來(lái)在國(guó)際范圍掀起了應(yīng)用熱潮。雖然針刺已獲得了廣泛的社會(huì)認(rèn)可，但針刺潛在的生理生物學(xué)機(jī)制仍然是一個(gè)懸而未決的科學(xué)問(wèn)題，仍需進(jìn)行更為深入的研究。在眾多的問(wèn)題中，針刺效應(yīng)所涉及的中樞神經(jīng)傳導(dǎo)通路的相關(guān)證據(jù)還很缺乏。

至今，絕大多數(shù)神經(jīng)影像研究著重探討針刺即時(shí)效應(yīng)中樞神經(jīng)響應(yīng)的空間分布。事實(shí)上，針刺存在兩個(gè)特征性的作用階段：(1)針刺捻針操作階段，這一過(guò)程主要涉及對(duì)深層組織的刺激(表皮刺戳)以及機(jī)體對(duì)組織傷害的生化反應(yīng)；(2)針刺刺激結(jié)束后的持續(xù)性效應(yīng)作用階段。人類(lèi)行為和動(dòng)物研究得到的實(shí)驗(yàn)證據(jù)也表明：針刺鎮(zhèn)痛存在一個(gè)顯著特征，即針刺的持續(xù)性效應(yīng)，即針刺作用需要經(jīng)歷一段時(shí)間才可到達(dá)峰值，然后逐漸回歸到基線水平[1-3]。研究者還證實(shí)針刺單純的物理刺激和針刺的持續(xù)性效應(yīng)，可以激活大腦許多重疊腦區(qū)[4-7]。因此，考量針刺引發(fā)大腦的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化的過(guò)程模式，對(duì)于理解針刺的中樞神經(jīng)作用機(jī)制就顯得至關(guān)重要。

針刺類(lèi)似于一項(xiàng)復(fù)雜的體感刺激過(guò)程，需要大腦特定腦區(qū)信息的流動(dòng)和整合，因此腦網(wǎng)絡(luò)連接度分析特別適宜于此項(xiàng)問(wèn)題的解決。采用獨(dú)立成分分析的研究報(bào)道表明，真針刺相較于對(duì)照組，可以引起默認(rèn)腦網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部核團(tuán)間連接度的增加，并與副交感神經(jīng)的輸出信號(hào)顯著相關(guān)[8]。我們最近的研究也提出針刺可以進(jìn)一步增強(qiáng)反相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)的二分性，并且主要對(duì)凸顯網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生特異性調(diào)節(jié)，特別是旁邊緣系統(tǒng)的腦區(qū)和腦干[6]。雖然目前研究已得到了一些有價(jià)值的研究證據(jù)，但仍有一些重要問(wèn)題亟待解決：(1)這些被針刺調(diào)節(jié)的廣泛腦網(wǎng)絡(luò)區(qū)域間是否存在因果作用關(guān)系，是否可以為針刺功能特異性相關(guān)的信息流動(dòng)作出解釋?zhuān)?2)刺激后的靜息狀態(tài)的因果相互作用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否與先前的刺激狀態(tài)有關(guān)。

為了回答這些問(wèn)題，我們首先對(duì)比針刺足三里穴和旁開(kāi)非經(jīng)非穴即時(shí)效應(yīng)所引發(fā)的大腦激活響應(yīng)，接著應(yīng)用多元格蘭杰因果有效連接分析對(duì)腦區(qū)間的信息流動(dòng)以及方向性進(jìn)行判定，并由此推測(cè)針刺在刺激操作階段及持續(xù)性效應(yīng)階段是否會(huì)引發(fā)其功能特異性的調(diào)節(jié)機(jī)制[9]。近些年，格蘭杰因果分析在腦認(rèn)知研究方面得到了廣泛應(yīng)用，已成為一種適用于神經(jīng)生理學(xué)數(shù)據(jù)的頻率和時(shí)間域指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)神經(jīng)元之間相互作用方向性的有效研究途徑[10-12]。該方法認(rèn)為如果第二個(gè)時(shí)間序列與第一個(gè)時(shí)間序列之間存在因果關(guān)系的相互影響，則可以通過(guò)包含第二個(gè)時(shí)間序列的過(guò)去信息來(lái)提高對(duì)第一個(gè)時(shí)間序列的自回歸預(yù)測(cè)。在這個(gè)研究中，因果作用關(guān)系的研究通過(guò)多元格蘭杰因果分析的直接傳遞函數(shù)(direct transfer function)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

為了降低被試者間差異性的影響，16名被試者均為在校大學(xué)生，男女各8名；平均年齡(22.5±1.8)歲，身體狀況良好，無(wú)針刺過(guò)敏反應(yīng)，經(jīng)Edinburgh利手問(wèn)卷調(diào)查均為右利手；被試者及其一級(jí)親屬無(wú)精神病史，頭部無(wú)損傷，近1個(gè)月內(nèi)無(wú)藥物服用經(jīng)歷；無(wú)任何fMRI掃描禁忌。在向被試者詳細(xì)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施步驟后，被試者個(gè)人自愿簽訂了由西部中國(guó)醫(yī)院委員會(huì)的人類(lèi)計(jì)劃制定的同意協(xié)議書(shū)。本實(shí)驗(yàn)同時(shí)也符合赫爾辛基宣言的內(nèi)容。

目前針刺的fMRI研究大都采用多組塊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式，fMRI技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究基于如下假設(shè)：大腦對(duì)于刺激的反應(yīng)是線性時(shí)不變的，只存在相應(yīng)刺激階段和基線狀態(tài)。由于針刺行為是緩慢發(fā)展并發(fā)揮作用的，針刺的血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與多組塊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本假設(shè)是不相符的[7]。除此以外，在短時(shí)間內(nèi)使用多個(gè)刺激模塊，研究人員可能無(wú)法區(qū)分當(dāng)前的大腦活動(dòng)是由針刺引起的還是受其延遲效應(yīng)的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，采用了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑悍侵貜?fù)事件相關(guān)的功能MRI實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)研究針刺的持續(xù)性效應(yīng)。

本實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)步驟。靜息狀態(tài)持續(xù)12.5 min。針刺真穴和針刺假穴均采用非重復(fù)事件相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式，持續(xù)1.5 min的針刺，兩次刺激之間有1分鐘的靜息掃描，針刺結(jié)束后仍有12.5 min的靜息掃描。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)被試者盲試，要求被試者保持放松并且不要有太多的思緒。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，要求被試者閉眼休息，以避免被試者觀察到正在實(shí)施的刺激類(lèi)型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)后參與者的報(bào)告，他們申明在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持著清醒狀態(tài)。針刺足三里與針刺假穴的實(shí)驗(yàn)順序完全偽隨機(jī)，對(duì)于所有被試者實(shí)施順序完全平衡。為了避免針刺后效應(yīng)的影響，2次針刺實(shí)驗(yàn)之間至少相隔72 h[7]。

針刺真穴組選取右腿足三里穴。該穴被廣泛用于臨床針刺鎮(zhèn)痛以及內(nèi)臟調(diào)節(jié)，是針刺機(jī)理研究中普遍采用的穴位。針刺操作過(guò)程選用無(wú)菌、一次性、不銹鋼針(直徑為0.2 mm，長(zhǎng)為40 mm)；入針深度為2～3 cm，針刺刺激采用平補(bǔ)平瀉提拉捻轉(zhuǎn)的手法，旋轉(zhuǎn)頻率為1 Hz；所有被試者的針刺過(guò)程均由1名具有專(zhuān)業(yè)資格的中醫(yī)針灸師來(lái)完成。針刺假穴是由1名經(jīng)驗(yàn)豐富的針灸師設(shè)計(jì)的，刺激點(diǎn)為非經(jīng)非穴(足三里旁開(kāi)2～3 cm處)；并且與針刺真穴具有相同的刺激深度，刺激強(qiáng)度和操作方法。

在針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求每名被試者對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體驗(yàn)的得氣感按以下的幾個(gè)維度進(jìn)行打分(10分VAS量表)，酸、麻、脹、冷、熱、尖銳痛、鈍痛、重、麻刺感、癢、持續(xù)疼、擠壓感。打分量表的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：1～3 輕度，4～6 輕度不適，7～8 不適，9～10 極度不適，10以上為無(wú)法忍受[13]。

1.2 數(shù)據(jù)采集和分析

實(shí)驗(yàn)采用GE公司的3.0 T 的MR掃描儀。一個(gè)頭部固定器用來(lái)防止頭動(dòng)影響。32個(gè)軸位片(參數(shù)：FOV 240 mm×240 mm，matrix 64×64，thickness 5 mm)，平行于AC-PC平面和覆蓋使用T2加權(quán)單次獲得全腦，功能圖像采用BOLD對(duì)比梯度回旋脈沖序列(參數(shù)為：TR 1500 ms,TE 30 ms，flip angle 90°)。在進(jìn)行功能掃描之前，結(jié)構(gòu)掃描以1 mm×1 mm×1 mm的體素進(jìn)行結(jié)構(gòu)定位，并且使用3D MRI序列進(jìn)行掃描(參數(shù)：TR 2700 ms，TE 3.39 ms，matrix 256×256,FOV 256 mm×256 mm，fl ip angle 7°，slice thickness 1 mm)。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖分析軟件(SPM5,http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)。首先，采用最小二乘法對(duì)功能數(shù)據(jù)進(jìn)行頭動(dòng)校正(所有被試者的頭動(dòng)距離平均都未超過(guò)1 mm，旋轉(zhuǎn)角度未超過(guò)一度)；其次，對(duì)校正后的數(shù)據(jù)利用MNI標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化，并將體素沖切到2 mm×2 mm×2 mm。最后，采用6 mm FWHM的高斯核函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，以達(dá)到降低噪聲，提高信噪比的目的。數(shù)據(jù)都被顏色標(biāo)記并且映射到Talairach空間[14]。

1.4 從格蘭杰因果分析中得到有效連接網(wǎng)絡(luò)

為了探索在不同針刺刺激下腦網(wǎng)絡(luò)的不同交互作用關(guān)系，將真針與假針在即時(shí)效應(yīng)階段的差異性腦區(qū)作為感興趣區(qū)域，并進(jìn)行后續(xù)的格蘭杰因果分析。在廣泛的邊緣系統(tǒng)和皮層下區(qū)域，針刺真穴組和針刺假穴組相比，大腦表現(xiàn)了增強(qiáng)的激活響應(yīng)(P＜0.005，F(xiàn)DR 校正8個(gè)連續(xù)體素 的空間范圍)。降低的激活響應(yīng)區(qū)域并未達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著值。對(duì)于雙側(cè)激活區(qū)域，只選擇T值較大的側(cè)別作為代表。最終，我們挑選了15個(gè)感興趣區(qū)域點(diǎn)應(yīng)用于隨后的格蘭杰因果分析方法中。以每個(gè)區(qū)域的峰值坐標(biāo)點(diǎn)為中心做6 mm半徑的球型區(qū)域提取時(shí)間序列，并將時(shí)間序列進(jìn)行平均。格蘭杰因果分析方法使用了直接傳遞函數(shù)(DTF)[9]，在選定的種子點(diǎn)中計(jì)算時(shí)間序列的多元自回歸模型。在這項(xiàng)研究中，我們還采用了加權(quán)直接傳遞函數(shù)用來(lái)加強(qiáng)直接連接并抑制間接連接的影響[8，10，15]。為了實(shí)現(xiàn)連接強(qiáng)度的顯著性檢驗(yàn)，采用替代性數(shù)據(jù)產(chǎn)生2500次隨機(jī)采樣的數(shù)據(jù)分布，同時(shí)利用這一數(shù)據(jù)分布計(jì)算DTF值[9，15-16]，最后將DTF值和空的分布通過(guò)P值為0.01的單邊檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)(多重比較的FDR校正)。

2 結(jié)果

2.1 行為數(shù)據(jù)結(jié)果

對(duì)被試者報(bào)告的得氣感12種類(lèi)型的體驗(yàn)頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。其中，相較于針刺假穴，麻(真針：43.4%；假針：22.1%，P＜0.01)，脹(真針：58.9%，假針：21.7%，P＜0.005)，和酸(真針：68.3%，假針：23.8%，P＜0.0005)這三種感覺(jué)在針刺足三里后出現(xiàn)頻率較高(Fish檢驗(yàn))。體驗(yàn)強(qiáng)度也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。針刺足三里以及針刺假穴所引發(fā)得氣感的平均強(qiáng)度基本相等(足三里2.4±1.7；假穴2.2±1.9)，強(qiáng)度值都比較低(輕度到中度)。

2.2 即時(shí)刺激效應(yīng)下的有效連通網(wǎng)絡(luò)

因果連接圖借助箭頭的粗細(xì)表示因果影響的強(qiáng)度(圖1)。 顯著的路徑權(quán)重在圖1中呈現(xiàn)，同一方向和相反方向的變化表征bold信號(hào)在2個(gè)感興趣區(qū)域間的正相關(guān)性和反相關(guān)性。從連接圖中可以看出，對(duì)于真針，背側(cè)丘腦中部是腦網(wǎng)絡(luò)的中樞，與背外側(cè)前額葉以及殼核有雙向連接，同時(shí)投射信號(hào)到前腦島。背外側(cè)前額葉和殼核存在雙向作用，也同時(shí)投射到前腦島。與丘腦內(nèi)側(cè)上行的神經(jīng)通路相比，丘腦外側(cè)的連接主要位于軀體感覺(jué)皮層。從腹后側(cè)丘腦產(chǎn)生的路徑通常都直接指向初級(jí)體感區(qū)和次級(jí)體感區(qū)。初級(jí)體感區(qū)和次級(jí)體感區(qū)以及腹 后側(cè)丘腦都有雙向作用，同時(shí)傳到前額下部腦區(qū)。而針刺假穴，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)和針刺真穴一樣。然而，傳出的中心主要位于腹后側(cè)丘腦，指向初級(jí)體感區(qū)和次級(jí)體感區(qū)。受到前腦島和下前額腦區(qū)影響的背外側(cè)前額葉，也將控制信號(hào)傳向初級(jí)體感區(qū)。

圖1 多元格蘭杰因果連接度圖[真針(上面)，假針(下面)]。路徑權(quán)值(任意單位)的相對(duì)強(qiáng)度分別由箭頭的寬度表示。實(shí)際路徑的權(quán)重分別列于表1，2。SI：初級(jí)體感區(qū)；SII：刺激體感區(qū)；AI：前腦島；OFC：前額眶部；DLPFC：背外側(cè)前額葉皮質(zhì)；Amy：杏仁核；PAG：中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)；SMA：輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)；Tha MDvc：中央背側(cè)丘腦；Tha VPL：腹后側(cè)丘腦；PCC：后扣帶回；pC：楔前葉；Hypo：下丘腦；IPL：頂下小葉；L：左；R：右 圖2 在不同的靜息條件下的多重格蘭杰因果連接度：針刺真穴前(頂部)， 針刺假穴后(中間)和靜息狀態(tài)(底部)。路徑權(quán)值(任意單位)的相對(duì)強(qiáng)度分別由箭頭的寬度表示。AI：前腦島；DLPFC：背外側(cè)前額葉；SI：初級(jí)體感區(qū)；SII：次級(jí)體感區(qū)；OFC：前額眶部；Amy：杏仁核；PAG：中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)；SMA：輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)；Tha MDvc：中央背側(cè)丘腦；Tha VPL：腹后側(cè)丘腦；PCC：后扣帶回；pC：楔前葉；Hypo：下丘腦；IPL：頂下小葉；L：左；R：右Fig.1 Multivariate Granger causality connectivities among selected ROIs(ACUP＞SHAM,P＜0.005 uncorrected)in ACUP(top)and SHAM(bottom).Relative strengths of path weights(in arbitrary units)were indicated by the width of arrows.The actual path weights were tabulated in Table I and II.Abbreviations:SI:primary somatosensory cortex.SII:secondary somatosensory cortex.AI:anterior insula.OFC:orbital frontal cortex.DLPFC:dorsolateral prefrontal cortex.Amy:amygdale.PAG:periaqueductal gray.SMA:supplementary motor area.Tha MDvc:mediodorsal nucleus of thalamus.Tha VPL:ventroposterior lateral of thalamus.PCC:posterior cingulate cortex.pC:precuneus.Hypo:hypothalamus.IPL:inferior parietal lobule.L-left:R-right.Fig.2 Multivariate Granger causality connectivity under different resting conditions:PARS(top),PSRS(middle)and Rest(bottom).Relative strengths of path weights(in arbitrary units)were indicated by the width of arrows.The actual path weights were tabulated in Table III,IV and V.Abbreviations:SI:primary somatosensory cortex.SII:secondary somatosensory cortex.AI:anterior insula.OFC:orbital frontal cortex.DLPFC:dorsolateral prefrontal cortex.Amy:amygdale.PAG:periaqueductal gray.SMA:supplementary motor area.Tha MDvc:mediodorsal nucleus of thalamus.Tha VPL:ventroposterior lateral of thalamus.PCC:posterior cingulate cortex.pC:precuneus.Hypo:hypothalamus.IPL:inferior parietal lobule.L:left.R:right.

2.3 持續(xù)針刺效應(yīng)下的有效連接網(wǎng)絡(luò)

格蘭杰因果分析表明：在靜息狀態(tài)時(shí)，凸顯網(wǎng)絡(luò)的前腦島和其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有最多數(shù)量的因果聯(lián)系(hypothalamus，PAG，MDvc and putamen)；凸顯網(wǎng)絡(luò)的傳出主要指向缺省模式網(wǎng)絡(luò)里的后扣帶回/楔前葉和頂下小葉，以及中央執(zhí)行腦區(qū)里的背外側(cè)前額葉，下前額腦區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(圖2)。由凸顯網(wǎng)絡(luò)里的節(jié)點(diǎn)指向前腦島的路徑都呈現(xiàn)明顯的共變關(guān)系，而由前腦島指向中央執(zhí)行腦區(qū)和缺省模式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大都呈現(xiàn)反共變的關(guān)系。前腦島的輸入和輸出信號(hào)相對(duì)平衡，可能是惟一的產(chǎn)生中央執(zhí)行腦區(qū)和缺省模式網(wǎng)絡(luò)交叉點(diǎn)的控制信號(hào)的位置。后扣帶回、楔前葉作為缺省模式網(wǎng)絡(luò)中因果導(dǎo)入中心，后扣帶回、楔前葉被其他網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，包括頂下小葉和杏仁核的內(nèi)側(cè)顳葉。值得注意的是，傳入后扣帶回、楔前葉最強(qiáng)的信號(hào)來(lái)源于前腦島。

相較于靜息狀態(tài)，真針前的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的因果關(guān)系的強(qiáng)度和指向均呈現(xiàn)不同的模式(圖2)：和6個(gè)節(jié)點(diǎn)均存在顯著的指向關(guān)系，6個(gè)節(jié)點(diǎn)有顯著的被指向關(guān)系。前腦島仍然是中央執(zhí)行腦區(qū)和缺省模式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中心。前腦島與其他節(jié)點(diǎn)的相互作用形成一些共變和異變的路徑：由前腦島傳出指向中央執(zhí)行腦區(qū)中的背外側(cè)前額葉和下前額腦區(qū)，從缺省模式網(wǎng)絡(luò)腦網(wǎng)絡(luò)的后扣帶回和頂下小葉傳入指向前腦島。除此以外，觀察到前腦島和凸顯網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)有相對(duì)增加的因果關(guān)系：下丘腦和中央背側(cè)丘腦。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的因果影響中，由下丘腦指向中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)最強(qiáng)。另一方面，在假針的情況，格蘭杰因果分析連接圖則表現(xiàn)的更為稀疏。與靜息情況下相比，從背外側(cè)前額葉傳到初級(jí)體感區(qū)的因果關(guān)系相對(duì)增強(qiáng)。在這個(gè)環(huán)路中，初級(jí)體感區(qū)有一個(gè)相對(duì)更高的傳入情況，主要從后扣帶回/楔前葉、背外側(cè)前額葉和次級(jí)體感區(qū)傳入。此外，和針刺真穴相比，針刺假穴在凸顯網(wǎng)絡(luò)腦網(wǎng)絡(luò)中的前腦島節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系表現(xiàn)不顯著。

圖3 針刺真穴和針刺假穴的中樞神經(jīng)調(diào)節(jié)通路。因果相互作用主要包括由丘腦發(fā)出上行傳導(dǎo)路徑，以及來(lái)自額葉皮質(zhì)到體感區(qū)的自上而下的控制信號(hào)。AI:前腦島；DLPFC：背外側(cè)前額葉；SI：初級(jí)體感區(qū)；SII：次級(jí)體感區(qū)；OFC：前額眶部；M：中央背側(cè)丘腦；L：腹后側(cè)丘腦；Pu：殼核；IPL：頂下小葉；SMA：輔助運(yùn)動(dòng)區(qū) 圖4 不同靜息狀態(tài)下的中樞神經(jīng)通路（Rest：純靜息態(tài)；PARS：針刺真穴的后靜息；PSRS：針刺假穴的后靜息）。PCC/pC：后扣帶回/楔前葉；IPL：頂下小葉；DLPFC：背外側(cè)前額葉；OFC：前額眶部；SII：次級(jí)體感區(qū)；AI：前腦島；Pu：殼核；Am：杏仁核；M：中央背側(cè)丘腦；L：腹后側(cè)丘腦；H：下丘腦；P：中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)；Cere：小腦Fig.3 The schematic illustration refers to neural circuits involved in ACUP and SHAM.The neural substrates involving the casual interaction networks were generally the same under both conditions.Their causal interactions mainly included the ascending path from the thalamus as well as the top-down control signal from the frontal cortices to the somatosensory areas.Abbreviations:AI:anterior insula.DLPFC:dorsolateral prefrontal cortex.SI:primary somatosensory cortex.SII:secondary somatosensory cortex.OFC:orbital frontal cortex.M:mediodorsal nucleus of thalamus.L:ventroposterior lateral of thalamus.Pu:putamen.IPL:inferior parietal lobule.SMA:supplementary motor area.Fig.4 The schematic illustration refers to heterogeneous neural pathways under different resting conditions(PARS,PSRS and Rest).At least three neural circuits anchored by the AI were involved in the PARS.Neural pathway central to processing the emotion-motivation aspects(AIOFC-Am-P)(A).Antinociceptive action of the inhibitory system(AI-H-P)(B).mediating infl uence of sensory processes(AI-SII-SI)(C).By contrast,the primary pathway during the PSRS was from frontal cortices to somatosensory areas.During the Rest,the AI had the highest number of causal infl ow connections from other nodes within the SN(H,P,M and Pu),its outfl ows mainly directed to the PCC/pC and IPL within the DMN,as well as the DLPFC,OFC and SMA within the CEN.Abbreviations:PCC/pC:posterior cingulate cortex/precuneus.IPL:inferior parietal lobule.DLPFC:dorsolateral prefrontal cortex.OFC:orbital frontal cortex.SII:secondary somatosensory cortex.SI:primary somatosensory cortex.AI:anterior insula.Pu:putamen.Am:amygdale.M:mediodorsal nucleus of thalamus.L:ventroposterior lateral of thalamus.H:hypothalamus.P:periaqueductal gray.Cere:cerebellum.

3 討論

目前的研究考察了在針刺刺激的即時(shí)效應(yīng)階段和持續(xù)性效應(yīng)階段(刺激后的動(dòng)態(tài)觀測(cè)用來(lái)判斷因果腦網(wǎng)絡(luò)作用關(guān)系的發(fā)展演變)，在針刺的不同階段存在不同腦區(qū)之間交互作用關(guān)系的動(dòng)態(tài)重組。值得注意的是，不同腦區(qū)間的因果作用關(guān)系在針刺刺激結(jié)束后并沒(méi)有減弱。相反的是，腦區(qū)間的因果作用將進(jìn)一步加強(qiáng)并且為其在針刺不同效應(yīng)階段扮演的角色作出重要解釋。針刺足三里穴包含多級(jí)神經(jīng)回路，與之相關(guān)的大腦網(wǎng)絡(luò)則更加廣泛、更具時(shí)變效應(yīng)。這些回路涉及編碼痛情緒相關(guān)腦區(qū)和抑制傷害性信息的腦區(qū)。不同干預(yù)措施的針刺方法(真穴與旁開(kāi)假穴)存在潛在的異質(zhì)腦網(wǎng)絡(luò)，并且具備隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)重組特點(diǎn)。

以往的神經(jīng)影像學(xué)研究著重考察針刺中樞神經(jīng)響應(yīng)的空間分布。較為一致的證據(jù)表明，廣泛的邊緣系統(tǒng)相關(guān)區(qū)域以及疼痛下行抑制通路成為構(gòu)成針刺功能特異性的基石[5-7，13]。然而，傳統(tǒng)方法本身的局限已無(wú)法滿(mǎn)足針刺所涉及腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部核團(tuán)信息流動(dòng)以及相應(yīng)的動(dòng)態(tài)信息重組而發(fā)揮作用的研究需求。隨著fMRI在探索腦區(qū)間系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)關(guān)系方面敏感性的提高，可靠的證據(jù)支持時(shí)間響應(yīng)關(guān)系可以通過(guò)刻畫(huà)fMRI的血液動(dòng)力學(xué)方法追蹤神經(jīng)信號(hào)的改變來(lái)證實(shí)。通過(guò)應(yīng)用fMRI來(lái)評(píng)價(jià)腦區(qū)間的協(xié)同加工機(jī)制以及利用時(shí)間測(cè)量方法來(lái)追蹤這些腦區(qū)之間信號(hào)流動(dòng)的方向性，格蘭杰因果腦網(wǎng)絡(luò)可作為一種有效的研究方法之一[9，11]。多元格蘭杰因果分析的結(jié)果支持，針刺足三里穴與針刺假穴存在潛在不同的中樞神經(jīng)作用機(jī)制，信號(hào)調(diào)制會(huì)沿著不同的中樞神經(jīng)通路到達(dá)高級(jí)皮層(圖3)。外周刺激輸入的一個(gè)主要上升傳導(dǎo)脊髓通路是脊髓丘腦側(cè)束(STT)[17]。它主要投射在丘腦的軀體感覺(jué)區(qū)(VPL)，從這里出發(fā)，再投射至相應(yīng)的大腦皮層區(qū)域(初級(jí)體感區(qū)、次級(jí)體感區(qū)),被命名為脊髓丘腦側(cè)束-丘腦-第一體感區(qū)、第二體感區(qū)神經(jīng)傳導(dǎo)通路。另一條主要的上行通路是沿著脊髓路徑至中間丘腦核，再投射至前腦島，被命名為脊髓-平行側(cè)枝-前腦島神經(jīng)傳導(dǎo)通路。脊髓丘腦側(cè)束-丘腦-初級(jí)體感區(qū)/次級(jí)體感區(qū)對(duì)于編碼識(shí)別感覺(jué)的強(qiáng)度和疼痛知覺(jué)的定性特征能力十分重要，推測(cè)直接通過(guò)脊髓的信息傳入至邊緣結(jié)構(gòu)可能極大的參與了信息的自動(dòng)化處理和與身體覺(jué)醒和情緒相關(guān)的行為[18]。通過(guò)探測(cè)在針刺狀態(tài)下腦區(qū)的因果作用關(guān)系，預(yù)測(cè)了針刺足三里穴可能會(huì)引起從多條脊髓上升通路傳導(dǎo)的與疼痛有關(guān)的信息(脊髓丘腦側(cè)束-丘腦-初級(jí)體感區(qū)、次級(jí)體感區(qū)和脊髓-平行側(cè)枝-前腦島)，而針刺假穴僅存在脊髓丘腦側(cè)束-丘腦-初級(jí)體感區(qū)、次級(jí)體感區(qū)這條神經(jīng)通路的傳導(dǎo)。綜合以上結(jié)論表明：不同條件下可能引發(fā)不同的中樞神經(jīng)上行傳導(dǎo)通路，而中樞神經(jīng)加工回路所提供的自上而下的調(diào)制通路幾乎是一樣的。背外側(cè)前額葉皮質(zhì)對(duì)疼痛下行抑制區(qū)域與疼痛信號(hào)加工腦區(qū)的至上而下的調(diào)節(jié)通路(初級(jí)體感區(qū)和丘腦)。這些神經(jīng)回路的建立出現(xiàn)在即時(shí)針刺階段，更多腦區(qū)之間功能特異性的交互作用則表現(xiàn)在針刺持續(xù)性效應(yīng)階段。

在純靜息狀態(tài)時(shí)，后扣帶回成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中樞，直接影響著默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)(圖4)。這個(gè)結(jié)果與以往的神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)現(xiàn)相一致，即后扣帶回可能在信息加工和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的腦區(qū)間交互作用方面占據(jù)重要地位[17]。一系列的論文研究采用無(wú)任務(wù)的、固有連接性的分析，已經(jīng)表明大腦組成廣泛分布的反相關(guān)功能腦網(wǎng)絡(luò)；“缺省模式”下大腦活動(dòng)的潛在腦網(wǎng)絡(luò)，主要在靜息狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)并且在各種有目的的任務(wù)狀態(tài)時(shí)會(huì)大幅度衰減[17]。在這兩種刺激干預(yù)措施實(shí)施后，后扣帶回由靜息狀態(tài)的信息流的目的地，轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蛑醒雸?zhí)行網(wǎng)絡(luò)投射的信息源。關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象的功能意義占主導(dǎo)地位的假設(shè)表明：在一個(gè)新的特定任務(wù)執(zhí)行時(shí)，信息的處理從通常主要參與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域轉(zhuǎn)移至與執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)相關(guān)的腦區(qū)。這些證據(jù)佐證一個(gè)觀點(diǎn)：固有腦網(wǎng)絡(luò)間的因果信息流動(dòng)，在針刺干預(yù)后，向著與針刺刺激功能特異性相關(guān)的腦區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移與重新分配。

因果關(guān)系圖表明在針刺的持續(xù)性效應(yīng)中前腦島是信息流入與流出的交互中心節(jié)點(diǎn)。我們發(fā)現(xiàn)，杏仁核接收前額腦區(qū)的信息流入，而信息流出卻投射到中央導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)。前額下部腦區(qū)與杏仁核之間的信息流動(dòng)主要完成對(duì)疼痛這種伴有顯著情緒刺激的識(shí)別，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)響應(yīng)刺激的應(yīng)對(duì)情感狀態(tài)，影響疼痛中負(fù)性情緒的表達(dá)[19-20]。前額下部腦區(qū)-杏仁核通路的具體功能尚不明確，但可能反映了一種自上而下的參與針刺行為情緒調(diào)節(jié)相關(guān)的控制信號(hào)。從杏仁核到中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)的路徑則表現(xiàn)為一個(gè)自上而下的控制信號(hào)傳遞。

這種顯著的相互作用部分是由于杏仁核參與了傷害性信息的調(diào)制過(guò)程，可能介導(dǎo)傳遞至中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)[14]。此外，本研究結(jié)果還表明可能通過(guò)這一路線的感覺(jué)信號(hào)是由前腦島發(fā)出而傳到下丘腦，最后傳至中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)。下丘腦具有極為豐富的內(nèi)啡肽神經(jīng)元分布并且會(huì)直接對(duì)下行抑制通路上的重要核團(tuán)中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以往研究也表明這樣的調(diào)節(jié)方式在針刺鎮(zhèn)痛作用的發(fā)揮中至關(guān)重要[7，12，21-23]。中腦導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)傳遞到脊髓背角，構(gòu)成了下行鎮(zhèn)痛系統(tǒng)輸出通道[24]。 這些結(jié)構(gòu)之間的因果關(guān)系表明針刺中樞神經(jīng)傳導(dǎo)通路包括了下行抑制通路系統(tǒng)[25-27]。

本研究借助非重復(fù)事件相關(guān)的設(shè)計(jì)模式和格蘭杰因果有效連接度分析方法，考察了針刺刺激所發(fā)揮復(fù)雜中樞神經(jīng)調(diào)控機(jī)制的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及所涉及的可能中樞神經(jīng)傳導(dǎo)通路。結(jié)果表明：大腦網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)不同的干預(yù)措施(真穴位與假穴針刺)將引發(fā)異質(zhì)性腦區(qū)間的傳導(dǎo)信息重組，特別是表現(xiàn)在針刺持續(xù)性效應(yīng)階段。據(jù)推測(cè)，這種重組存在隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其中一些相關(guān)(或反相關(guān))區(qū)域可能只在針刺的“延遲效應(yīng)”階段呈現(xiàn)。針刺不同作用階段涉及不同的因果腦網(wǎng)絡(luò)的重組對(duì)理解針刺涉及發(fā)揮復(fù)雜多系統(tǒng)效應(yīng)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，但該初步結(jié)論還需進(jìn)一步證實(shí)。

[References]

[1]Mayer DJ,Price DD,Rafi i A.Antagonism of acupuncture analgesia in man by the narcotic antagonist naloxone.Brain research,1977,121(2):368.

[2]Pomeranz B,Chiu D.Naloxone blockade of acupuncture analgesia:endorphin implicated.Life Scien,1977,19(11):1757.

[3]Price DD,Rafii A,Watkins LR,et al.A psychophysical analysis of acupuncture analgesia.Pain,1984,19(1):27-42.

[4]Bai L,Qin W,Liang J,et al.Spatiotemporal modulation of central neural pathway underlying acupuncture action:a systematic review.Current Med Imaging Review,2009,5(3):167-173.

[5]Bai L,Qin W,Tian J,et al.Detection of dynamic brain networks modulated by acupuncture using a graph theory model.Prog Nat Sci,2009,19(7):827-835.

[6]Bai L,Qin W,Tian J,et al.Acupuncture modulates spontaneous activities in the anticorrelated resting brain networks.Brain Res,2009,1279:37-49.

[7]Bai L,Qin W,Tian J,et al.Time-varied characteristics of acupuncture effects in fMRI studies.Hum Brain Mapp,2009,30(11):3445-3460.

[8]Dhond RP,Yeh C,Park K,et al.Acupuncture modulates resting state connectivity in default and sensorimotor brain networks.Pain,2008,136(3):407-418.

[9]Stilla R,Deshpande G,LaConte S,et al.Posteromedial parietal cortical activity and inputs predict tactile spatial acuity.J Neurosci,2007,27(41):11091-11102.

[10]Dhamala M,Rangarajan G,Ding M.Analyzing information fl ow in brain networks with nonparametric Granger causality.Neuroimage,2008,41(2):354-362.

[11]Wang X,Chen Y,Ding M.Estimating Granger causality after stimulus onset:a cautionary note.Neuroimage,2008,41(3):767-776.

[12]Zhou Z,Chen Y,Ding M,et al.Analyzing brain networks with PCA and conditional Granger causality.Hum Brain Mapp,2009,30(7):2197-2206.

[13]Hui KK,Liu J,Marina O,et al.The integrated response of the human cerebro-cerebellar and limbic systems to acupuncture stimulation at ST 36 as evidenced by fMRI.Neuroimage,2005,27(3):479-496.

[14]Talaraich J,Tournoux P.Co-planar stereotactic atlas of the human brain.Thieme Medical Publishers,Weinheim:Wiley-VCH,1988:437-460.

[15]Deshpande G,LaConte S,James GA,et al.Multivariate Granger causality analysis of fMRI data.Hum Brain Mapp,2009,30(4):1361-1373.

[16]Kus R,Kaminski M,Blinowska KJ.Determination of EEG activity propagation:pair-wise versus multichannel estimate.IEEE Trans Biomed Eng.,2004,51(9):1501-1510.

[17]Fox MD,Snyder AZ,Vincent JL,et al.The human brain is intrinsically organized into dynamic,anticorrelated functional networks.Proc Natl Acad Sci U S A,2005,102(27):9673-9678.

[18]Treede RD,Kenshalo DR,Gracely RH,et al.The cortical representation of pain.Pain,1999,79(2):105-111.

[19]Schoenbaum G,Saddoris MP,Stalnaker TA.Reconciling the roles of orbitofrontal cortex in reversal learning and the encoding of outcome expectancies.Ann N Y Acad Sci,2007,1121:320-335.

[20]Tolle TR,Kaufmann T,Siessmeier T,et al.Region-specifi c encoding of sensory and affective components of pain in the human brain:a positron emission tomography correlation analysis.Ann Neurol,1999,45(1):40-47.

[21]Wu MT,Hsieh JC,Xiong J,et al.Central nervous pathway for acupuncture stimulation:localization of processing with functional MR Imaging of the brain-preliminary experience.Radiology,1999,212(1):133-141.

[22]Yu LC,Han JS.Involvement of arcuate nucleus of hypothalamus in the descending pathway from nucleus accumbens to periaqueductal grey subserving an antinociceptive effect.Internat J Neuroscien,1989,48(1-2):71-78.

[23]Chen FY,Shen ZW,Guan JT,et al.Observation of the relation between brain activity and de qi sensation with manual acupuncture at LI4(Hegu).Chin J Magn Reson Imaging,2011,2(2):112-117陳鳳英,沈智威,關(guān)計(jì)添,等.手法針刺合谷穴得氣與腦功能激活關(guān)系的探討.磁共振成像,2011,2(2):112-117.

[24]Vanegas H,Schaible HG.Descending control of persistent pain:inhibitory or facilitatory? Brain Res Brain Res Rev,2004,46(3):295-309.

[25]Peets JM,Pomeranz B.CXBK mice defi cient in opiate receptors show poor electroacupuncture analgesia.Nature,1978,273(5664):675-676.

[26]Ren K,Dubner R.Descending modulation in persistent pain:an update.Pain,2002,100(1-2):1-6.

[27]Takeshige C,Oka K,Mizuno T,et al.The acupuncture point and its connecting central pathway for producing acupuncture analgesia.Brain Res Bull,1993,30(1-2):53-67.