建立BOLD及MRS多模態fMRI針刺腦效應試驗方案及其可行性研究

陳媛媛，趙彥萍，方繼良*，錢天翼，洪 洋，柳桂勇，張國雷，王 珺，王 寅，劉 勇，徐凱彬，李小嬌

(1.中國中醫科學院廣安門醫院放射科，3.針灸科，北京 100053；2.西門子醫療系統有限公司東北亞MR協調部，北京 100102；4.中國科學院自動化研究所腦網絡組研究中心，北京 100190)

MRI因其無輻射并可獲得高分辨率的解剖和功能圖像，已廣泛應用于針灸腦機制的研究。針刺時腦內可誘發明顯的正激活或負激活信號，負激活現象主要分布在邊緣葉—旁邊緣葉—新皮層網絡，其中前額葉內側皮層(medial prefrontal cortex， MPFC)有顯著的負激活改變，此腦區與情志、疼痛調節等相關[1-4]。動物實驗[5]表明，這種負激活信號的改變與神經的新陳代謝的抑制相關。但這種腦激活效應是否存在相應的神經遞質變化，還需深入研究。本研究聯合采用BOLD-fMRI及MRS技術，建立正負激活定量計算方法，獲得腦激活綜合值，并計算γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid, GABA)定量值，旨在驗證本研究建立的多模態技術方案的有效性和可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2015年9月—12月健康志愿者20名，男4名，女16名，年齡20～30歲，平均(24.5±1.4)歲。納入標準：①右利手；②無fMRI禁忌證：③均為醫科大學在讀本科生及研究生，既往無明確腦外傷及腦疾病，無癲癇、抑郁、焦慮、失眠等神經精神疾病病史。本研究通過醫院倫理委員會審核通過，受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0T MR掃描儀，20通道頭線圈，一次性針灸針(規格0.4 mm×25 mm，蘇州醫療用品廠有限公司)。MR掃描順序依次為全腦三維高分辨率T1WI、BOLD靜息態fMRI、任務前MRS、BOLD任務態fMRI、任務態MRS。

全腦三維高分辨率T1WI采用MPRAGE序列，TR 15 ms，TE 6.9 ms，翻轉角15°，FOV 256 mm×256 mm，矢狀位掃描196層，層厚1 mm，無間隔。

采用同時多層EPI序列，TR 750 ms，TE 30 ms，翻轉角90°，矩陣70×70，FOV 210 mm×210 mm，層厚3 mm，無間隔層間距，共掃描48層，體素大小3 mm×3 mm×3 mm，共掃描 6 min 46 s。全腦軸位掃描平行于前后聯合連線，包括小腦和腦干，空掃30 s，以減少早期受試者不適應而影響腦功能變化。囑受試者掃描時閉眼、不睡覺、不專注思維。BOLD任務態掃描參數同靜息態。對志愿者手針針刺。刺激方法：針刺受試者右側合谷穴，詢問有無針感或異常感覺。囑受試者閉眼靜息，針灸師戴耳機，聽取醫師口令，3次捻針，平補平瀉，頻率60次/分，每次持續30 s，為保證刺激后時間信號曲線返回到基線水平，根據既往試驗結果，2次捻針間隔為2 min，見圖1。

圖1 針刺Block設計方案

MRS掃描采用J差分點分辨波譜(J-different edited point resolution spectroscopy， MEGA-PRESS)序列，TR 2 000 ms，TE 68 ms，Averages 128，編輯脈沖頻率1.9 ppm，編輯中心頻率4.7 ppm，共掃描8 min 40 s。波譜掃描前勻場，全寬半高小于30。MRS定位框大小35 mm×30 mm×25 mm，位于雙側MPFC，垂直于前后聯合連線的平行線(長方體后壁的中點位于胼胝體尖端，圖2A)，掃描時設置飽和帶，位于定位框的前、上、下位置，以減少偽影及增加掃描成功率。任務態MRS掃描參數同任務前MRS，刺激的組塊設計與任務態BOLD掃描一致，針灸師再次對受試者進行3次合谷穴刺激，方法同BOLD任務態。

1.3 數據分析

1.3.1 MRS 將MRS原始數據先轉化為*.rda格式，采用LC Model軟件行后處理[6]，GABA波峰位于3.0 ppm處，獲得GABA濃度定量數據及曲線。

1.3.2 fMRI 將fMRI原始數據轉換為*.nii格式，采用SPM 12軟件行預處理，包括頭動校正、標準化及平滑。采用一般線性模型建模，個體水平統計推斷P值為0.05。采用xjView軟件查看腦區正激活、負激活的位置及強度。

在Matlab平臺，采用SPM 12軟件分割高清三維T1WI圖像的灰質、白質和腦脊液。將所有受試者灰質圖進行變形，標準化到蒙特利爾空間，ROI體素大小定義為1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm，計算獲得ROI的灰質體積分數。分別計算ROI灰質的BOLD正、負激活的體素數量及平均峰值(超過閾值的平均值，閾值P=0.05，T=1.6479)，根據公式計算正激活和負激活所有體素的平均激活綜合值(Pm)，公式為：

Va表示正激活體素數量，Pa表示正激活平均峰值，Vd表示負激活體素數量，Pd表示負激活平均峰值。Pm為正值為正激活值，Pm為負值則為負激活值。

2 結果

20名受試者均完成了BOLD掃描，圖像頭動范圍小于1.5 mm，均符合后處理要求。排除MRS波譜曲線不穩定的1名受試者，9名受試者曲線穩定，納入研究。

2.1 BOLD信號定量結果 20名受試者中，9名受試者呈正激活，Pm平均定量值為1.17±0.16；11名受試

者呈負激活，Pm平均定量值為-1.31±0.17。見圖2B。

2.2 GABA定量結果 9名MRS結果合格的受試者中5名受試者Pm<0，呈負激活，其中4名受試者GABA濃度在針刺后下降，1名受試者GABA濃度在針刺后升高；4名受試者Pm>0，呈正激活，其中3名受試者GABA濃度在針刺后升高，1名受試者GABA濃度在針刺后降低。9名受試者針刺前GABA平均濃度為(19.93±1.04)nmol/L，針刺后平均濃度為(20.04±0.81)nmol/L，針刺前、后GABA差值平均為(0.11±1.60)nmol/L。見圖2C。

3 討論

3.1 研究基礎 MRS是目前唯一可無創性定量分析活體內某一特定組織區域化合物的檢查技術。GABA是神經系統最重要的抑制性神經遞質，由谷氨酸通過谷氨酸脫羧酶的作用合成[7]，在大腦中的含量較低，且與其他代謝物的共振峰重疊，因此需采用特殊的MEGA-PRESS序列采集[8]。該方法可區分濃度較低的GABA與谷氨酸或谷氨酰胺(Glx)，已成功應用于評估腦區GABA的濃度，包括額葉、頂葉等[9-11]。另外，MRS已經有較成熟的后處理軟件，其中LC Model方法及所處理的數據結果已被廣泛認可[12]。

目前，BOLD-fMRI結合MRS的定量研究方法尚未廣泛開展。本研究將BOLD正、負激活信號在ROI內進行綜合定量。Northoff等[13]對12名健康受試者采用BOLD-fMRI結合MRS掃描，在情緒圖片刺激和靜息兩種狀態下，觀察右側前扣帶回(anterior cingulate cortex， ACC)中負激活與GABA濃度的關系，將ROI定位于右側MPFC，結果顯示ACC中GABA的濃度與相同區域的BOLD負激活具有相關性，提示情緒中樞的默認模式網絡腦區ACC的BOLD負激活效應可能由GABA介導。Duncan等[14]對13名健康受試者進行fMRI與MRS結合的方法掃描，受試者接受同情任務、獎賞任務后行MR掃描，ROI定位于上前扣帶皮質層(perigenual anterior cingulate cortex, pgACC;20 mm×10 mm×20 mm)、亞屬前扣帶皮層(subgenus anterior cingulate cortex, sgACC;20 mm×10 mm×20 mm)、左前島葉(對照，15 mm×10 mm×20 mm)，結果顯示任務引起pgACC的BOLD負激活效應與任務誘發sgACC的BOLD正激活效應相互作用，進一步證實腦區間的連接與谷氨酸濃度，特別是pgACC中的谷氨酸濃度有關。

圖2 14號受試者，男，23歲 A.MRS定位圖，紅色為ROI； B.BOLD任務態針刺結果腦功能激活圖，紅色表示正激活，藍及綠色表示負激活，箭示MPFC和前扣帶回喙部，為主要負激活區域； C.MRS波譜圖，GABA波峰位于3.0 ppm處(箭)

本研究與既往研究[13-14]所分析的腦區相似，均圍繞ACC，探索ACC中BOLD任務態正、負激活與神經遞質(GABA/谷氨酸)濃度變化的相關性；但受試者接受任務不同，本研究采用任務為針刺右側合谷穴位捻針，探討針刺引起的負激活效應的GABA基礎。

3.2 穴位及ROI的選擇 Hui等[2]研究手針針刺合谷穴、足三里穴、太沖穴的fMRI腦功能成像，結果顯示，明顯的負激活腦區主要位于雙側MPFC、前扣帶回、下丘腦、殼核、海馬、杏仁核、網狀結構等；3個穴位中，針刺合谷穴產生最廣泛、最強的負激活效應，主要位于MPFC/ACC頭部。隨后，在手針捻針的研究[3-4]中也發現，邊緣葉—旁邊緣葉—新皮層網絡表現為明顯的負激活，其中MPFC/ACC頭部負激活最為明顯。提示MPFC/ACC是重要的情緒、疼痛等調控中樞，是針刺治療抑郁、焦慮、急慢性疼痛的關鍵腦區。因此本研究選擇合谷穴，ROI選擇雙側MPFC。

3.3 掃描序列順序 2007年Fusumada等[15]對18只Wistar大鼠雙側足三里穴進行電針刺激，與7只非足三里穴大鼠對照，均采用電針儀刺激20 min，頻率為2 Hz，強度2 mA；結果顯示實驗組大鼠腦導水管周圍灰質(periaqueduetal gray, PAG)背側GABA增加。唐毓環等[16]對17只大鼠雙側足三里穴電針刺激15 min，以疏密波電流刺激，強度2～3 V，舒波頻率16 Hz，密波頻率44 Hz；結果顯示電針刺激足三里穴引起痛閾明顯上升，電針組韁核GABA含量高于對照組，谷氨酸含量無差異，提示GABA含量在針刺15～20 min可發生變化。本研究中掃描BOLD任務態及任務態MRS時按Block設計，在合谷穴捻針刺激，兩個序列掃描時間共約15 min(6 min 46 s+8 min 40 s)，再加上兩個序列之間需要MRS重新定位、測試勻場約5 min，因此本研究設計的MRS掃描時間為針刺后20 min左右，可測得GABA值在針刺前后的變化。

3.4 MRS的優化方案 本研究11名受試者的MRS波譜曲線不穩定，后經反復測試調整，9名受試者曲線穩定，納入研究。筆者認為MRS掃描對磁場均勻性要求較高，定位時應盡量避開脂肪、血管、顱骨、腦室等結構[17]。本研究初期掃描過程中發現金屬、假牙、染發、頭部外傷等對勻場產生明顯的不利影響，后在受試者錄入時，詢問相關情況，避免以上因素的干擾，節約勻場達到合格的時間，提高了MRS的精確性。

總之，本研究建立了多模態(BOLD-fMRI及MRS)的腦功能定量研究方法，成功率較高，檢測到針刺時ROI的多模態腦功能變化，并可計算獲得定量結果，在針刺腦效應機制研究上具有可行性。

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