針刺手法效應規律及神經電信息機制研究

劉陽陽 郭義 郭永明

摘要 針刺手法是影響針刺療效的關鍵，然而其作用規律、機制尚不完全清楚。天津中醫藥大學實驗針灸學研究中心郭義教授團隊與天津大學電氣自動化與信息工程學院王江教授團隊，長期以來圍繞針刺手法作用規律及神經電信息機制開展合作研究，構建了常見針刺手法的數學模型，用數學語言解析了針刺手法操作過程，實現了針刺手法的科學表征;揭示了基于神經電信息的針刺手法部分作用規律;刻畫了針刺手法電信號的非線性動力學特征，明確不同針刺手法誘發神經電信息編碼存在差異，是針刺手法效應差異的機制之一。研究成果為針刺手法的科學性奠定了提供了實驗依據，對針刺手法的傳承、應用和發展具有促進作用。

關鍵詞 針刺手法;神經電信號;非線性動力學;針刺效應;數學模型

Abstract Acupuncture manipulation （MA） is a key factor to acupuncture effect. However， the effect regularity and mechanism of MA are not clear. Professor GUO Yi′s team in Research Center of Experimental Acupuncture Science of Tianjin University of traditional Chinese medicine and Professor WANG Jiang′s team of School of Electrical and Information Engineering of Tianjin University have carried out cooperative research on the manipulation effect regularity and neural electric information mechanism of MA for a long time. The mathematical model of commonly used MA was established to depict the operation process of MA with mathematical language， which realized scientific representation of acupuncture. Part of the regularity of MA based on neural electric information has been revealed. The nonlinear dynamic characteristics of electric signals evoked by MA was described， and the differences of neural electric information coding induced by various MA was confirmed， which is one of the mechanisms of MA with different effects. These research results provide experimental basis for the scientificity of MA and promote the inheritance， application and development of MA.

Keywords Acupuncture manipulation; Neural electrical information; Nonlinear dynamics; Acupuncture effect; Mathematical model

針灸是中醫學的重要組成部分，長期的臨床實踐證明針刺可以治療多種疾病，療效確切。針刺手法是針灸瑰寶中的瑰寶，是影響臨床療效的關鍵因素。大量研究表明，應用針刺手法可以提高針刺療效[1-2]。然而有調查顯示，針刺手法在臨床中經常被應用的僅占44.3%[3]，究其原因，主要是針刺手法作為技術操作，長期以來缺乏客觀量化標準，后學者難以掌握，且針刺手法的作用規律及機制尚未闡明。因此開展針刺手法的客觀化研究，深入揭示針刺手法的作用規律、機制對于闡釋針刺手法的科學內涵，提高針刺手法的應用水平，促進傳統手針的發展具有重要意義。

天津中醫藥大學實驗針灸學研究中心郭義教授團隊致力于傳統針刺手法的研究[4-8]，并與天津大學電氣自動化與信息工程學院王江教授團隊、上海中醫藥大學中醫工程研究所楊華元教授團隊合作，系統開展了針刺手法的電信息規律研究，共同承擔國家自然科學基金重點項目（50537030）——針刺電信息傳導及其作用規律研究，之后又先后承擔了多項國家自然科學基金面上項目、青年基金、天津市自然科學基金等項目。研究成果獲得中國中西醫結合學會科學技術獎一等獎、教育部自然科學獎二等獎、教育部科技進步獎二等獎、上海市浦東新區科技進步獎二等獎等。本文從針刺手法的科學表征、效應規律及神經電信息機制3個方面，總結我們的研究成果，以期與同道學者交流和討論，共同促進針刺手法的研究、傳承和發展。

1 針刺手法的科學表征

針刺手法是在實踐經驗中總結出來的操作技術，自古以來是以師傳或家族模式傳承，主要以語言及示范性傳授為主，缺乏客觀化與量化，后學者難以掌握，一定程度上影響了針刺手法的傳承與發展。近年來，許多專家研制了各種針刺手法參數儀，以客觀顯示針刺手法的操作波形[9]，本團隊也在此基礎上開展了相關工作。我們使用楊華元教授團隊研制的ATP-Ⅱ型針刺手法參數測定儀，記錄了46名具有5年以上工作經驗的針灸學專業教師或針灸臨床醫師的4種針刺基本補瀉手法（提插補法、提插瀉法、捻轉補法、捻轉瀉法）的手法波形，提取其特征參數，見圖1，構建針刺手法參數數據庫，并利用高斯逼近及核回歸等進行數據分析，建立了針刺手法數學模型，見圖2，用數學語言客觀表征4種補瀉手法，突破了傳統的以手法操作形式來描述的方式，實現了針刺手法的數學語言表征[10]。見表1。這有利于深入了解針刺手法的操作內涵，比較手法之間的差異，并指導學習和研究。

2 針刺手法的效應規律

本團隊構建了多模態、多尺度的不同針刺手法研究平臺，刻畫了針刺手法的時空效應，證明了應用手法對針刺效應影響顯著，不同手法之間的針刺效應存在差異。

對視疲勞患者選取睛明、攢竹、風池、太陽、印堂、陽白、魚腰、四白、外關9個穴位，應用傳統針刺手法進行針刺，其中風池施以透眼熱手法，印堂施以金鉤釣魚，攢竹、魚腰、陽白施以喜鵲登梅，太陽施以二龍戲珠，外關施以青龍擺尾，睛明、四白守氣不行手法，結果顯示，眼針方治療后眼周溫度較針前明顯升高。局部微循環血流效應表明，采用不同針刺手法（提插補法、提插瀉法、捻轉補法、捻轉瀉法及平補平瀉）針刺正常人體足三里穴，均可使穴區局部微循環血流升高，但各手法之間差異有統計學意義，其中提插補瀉法的效應優于捻轉補瀉法，且補法血流灌注量增加幅度優于瀉法，提插補法引起的微循環血流升高最為明顯[11]。見圖3。

基于胃運動的效應規律表明，4種針刺手法（提插補法、提插瀉法、捻轉補法、捻轉瀉法）均可使紅霉素所致的家兔實驗性胃動過速模型和去甲腎上腺素所致的實驗性胃動過緩模型的胃運動恢復到正常，且補法效應有優于瀉法效應的趨勢[12-13]。此外，我們還分別觀察了不同頻率的捻轉以及提插手法（60次/min、120次/min、180次/min和240次/min）針刺阿托品致胃運動低下模型大鼠足三里穴對胃運動的恢復效應，其結果顯示，不同刺激頻率對胃運動均有一定的促恢復作用，但差異有統計學意義，其中低、中頻刺激的效應優于高頻刺激[14-15]。

基于鎮痛的研究以急性胃擴張造成內臟痛模型，以胃擴張引起脊髓背角WDR神經元電信號增加作為疼痛評價指標，用不同頻率的提插手法（30次/min、60次/min、120次/min和180次/min）刺激足三里穴，結果顯示中、高頻刺激對胃擴張引起電信號有抑制作用，說明高頻刺激產生了鎮痛作用，而低頻刺激作用不明顯[16]。見圖4。此外，近期在CFA引起的大鼠炎性痛平臺中，我們也觀察到高頻手法的針刺鎮痛效應優于低頻手法，這說明對于急性痛，強刺激的鎮痛效應更加明顯。如果以正常實驗動物為研究對象觀察針刺手法的效應差異，通常并不顯著，這說明了針刺手法的調節作用在疾病狀態下更為顯著。且不同疾病狀態，適宜刺激參數是不一樣，從現有的研究來看，功能低下狀態中、低頻刺激效果更優，而對于急性痛癥，高頻刺激效果更好。

3 針刺手法的神經電信息機制

神經系統作為機體的快速響應系統，與針刺信息的傳遞和針效的發揮密切相關。神經元放電是神經系統進行信息傳遞的重要方式。動作電位以不衰減的方式長距離傳播，使神經元實現生物電信息的長距離傳播。在神經纖維上傳播的動作電位序列中的每個脈沖是基本相同的，所傳播的信息就編碼在動作電位序列（包含放電的頻率和時間模式）的各種放電節律中。在早期研究中，由于缺乏必要的手段和方法，往往認為放電節律中非周期的、不規則的電活動行為是由于神經元的內部和外部噪聲引起的，從而不予以重視，許多信息未能得到充分挖掘與提取。隨著非線性動力學的現代理論和方法在生物學研究中的廣泛應用，為分析復雜的生物信號提供了有效的方法和手段。這就使得對以往實驗中觀察到的貌似隨機的、非周期的、不規則的電活動的生物電信號有了全新的理解與認識。神經系統電活動的非線性特性賦予了神經系統在感覺、信息的傳導、反射控制、運動、學習、判斷等等功能方面許多生物特性[17]。

針刺是一種物理性刺激，激活神經末梢產生相應的神經動作電位，即針刺電信號，沿著一定的外周和中樞途徑，傳遞到腦的高級部位，形成針感。這種電信號以時間/頻率序列組合的編碼形式發揮著對機體功能活動的整合與調控作用[18]。基于這一思路，我們開展了針刺手法的神經電信息機制研究。首先，明確了針刺足三里穴對胃功能調節的神經傳導通路，然后應用不同針刺手法/頻率刺激足三里穴，記錄該神經傳導通路上相關節點（背根神經、脊髓背角、迷走神經復核體、丘腦腹后外側核）的電信號以及EEG信號，見圖5，將混沌、分岔、信息熵、頻譜分析、復雜網絡等非線性分析方法引入針刺電信號的分析中，從電信息角度揭示針刺手法作用規律和機制。

3.1 針刺手法誘發的神經電信號具有混沌特性 利用關聯維數、Lyapunov指數和Lempel-Ziv復雜度等非線性時間序列的分析方法度量不同針刺手法作用下的神經電信號復雜程度，證明了針刺神經電信號是具有典型非線性特征的混沌信號[24]。見圖6。這排除了電信號的隨機性，用非線性動力學的概念和術語描述和歸納其電信號的放電節律形式是適用的。進一步發現，隨著刺激頻率的增高，針刺引起的神經信號復雜度也逐漸增高;比較捻轉法和提插法顯示，在相同刺激頻率下，提插法引起放電頻率更高，電信號的復雜度也更高[19-23]，這提示了在相同刺激頻率下，提插法對機體產生的效應可能更顯著，這與穴區局部微循環的研究結果相呼應。

3.2 不同手法誘發的神經電信號存在差異 應用小波熵對針刺電信號的特征進行提取與分類，結合單位時間窗放電頻率分析，顯示出不同針刺手法神經電信號的差異[25]。見圖7。基于編碼統計量和非線性測度等量化指標如混沌吸引子、復雜度等，對不同頻率針刺手法的電信號進行分析，也證明了不同針刺手法、不同針刺頻率誘發的針刺神經電信號存在差異，且在脊髓背根神經、背角神經元、丘腦腹后外側不同神經水平都顯示出了差異[12-16]，這可能是針刺手法效應差異的機制之一。基于網絡模型的研究，發現不同手法所對應的時空編碼形式存在本質的差別，尤其是捻轉法與提插法的編碼形式差異較大，這種采用復雜網絡映射的方法分析針刺神經電信號的方法，證明了捻轉法和提插法2種針刺手法的內在特征是不同的。這種差異性體現在神經元對特定針刺手法的選擇性，但對同一手法不同頻率的針刺作用，這種編碼選擇性并不明顯[26]。

3.3 針刺手法誘發的神經電信號存在飽和性 基于胃擴張狀態下不同針刺頻率誘發的脊髓背角WDR（Wide Dynamic Range，WDR）神經元的研究顯示，120與180次/min均勻提插手法的差異很小，尤其是兩者間放電頻率非常接近，這說明當針刺頻率超過120次/min時，神經系統對于不同頻率針刺手法刺激可能存在飽和性[10]。在另一項基于脊髓背根神經電信號研究也呈現出類似結果，當針刺頻率超過100次/min時，平均放電率不再明顯增加，顯示出神經系統對不同頻率的針刺刺激具有飽和特性[27]。這提示當針刺超過一定頻率后，針刺效應可能趨于相似，飽和效應產生的機制是什么，是否在高級中樞也存在，我們尚需再進一步明確。

3.4 針刺手法促使腦功能網絡間信息交流增加 應用利用關聯維數和基于遞歸圖的確定性指標分析不同針刺手法的EEG信號，發現針刺可使大腦電活動復雜化;采用互信息復雜度和Granger因果性分析法，研究了不同針刺手法的各導EEG之間的信息傳輸，發現針刺會促使各導EEG之間的信息交流，且在100次/min及以上的針刺手法作用下EEG交流最為活躍，如圖8所示，關聯維數越高表明腦電網絡信息交流的復雜性越高[28-29]。對EEG信號建立針刺不同階段的腦功能網絡，將腦部作為一個整體來研究，首次發現針刺時人腦的小世界網絡特性加強，說明針刺對腦部有正性調節作用[30-31]。

3.5 揭示了針刺手法誘發神經放電的起始動力學機制 從不同針刺頻率誘發的脊髓背角、脊髓背根神經的放電序列中提取動作電位，從放電波形中得到了閾值電壓、上升期最大上升速率等針刺引起的神經電信號起始動態參數，應用統計分析方法獲得這些參數之間的相互關系，揭示了針刺引起神經元的起始動態特性及編碼規律，發現不同針刺頻率誘發的脊髓背角神經元動作電位的閾值電壓與最大上升速率具有特定負相關關系[32-34]。在脊髓背角，不同針刺頻率不改變效應的神經元個數，而是通過影響動作電位最大峰值來進行編碼，而對于脊髓背根神經而言，不同針刺手法是通過改變神經元個數來進行編碼的，說明不同神經節段，神經元對針刺的編碼方式不同。通過數據分析證明了不同手法引起的神經元起始動力學有明顯的差異，從而導致不同手法有不同的作用效果。

4 小結

通過我們的研究工作，首次以數學的方法研究針刺手法的客觀量化，構建了數學模型，以科學語言詮釋了針刺手法的施針過程，為針刺手法客觀化、量化研究提供了新的思路。在應用前景上，將針刺手法的數學模型與針刺手法參數測定儀結合，在手法波形可視化基礎上，實時顯示各參數量化數值，智能比較不同針刺手法、不同操作者手法之間的差異，并提出手法的學習、改進策略，這相較與當前理論式的口授，將大大提高對針刺手法的學習和掌握，對于針刺手法的傳承、科學研究及臨床應用也將發揮促進作用。

在針刺手法的效應研究中，通過多模態、多平臺明確了不同針刺手法的效應特點，揭示了針刺手法的部分作用規律，并且發現不同針刺手法的效應及疾病狀態密切相關，基于疾病狀態探討不同針刺手法的效應規律，尋找最適宜的針刺手法或者參數，對于指導臨床應用，提高臨床療效具有重要意義。

在神經電信息的針刺手法的作用規律與機制的研究中，我們首次證明了針刺手法引起的神經電信號具有混沌特性，不同手法的混沌吸引子不同，并闡釋了其動力學特征，明確了不同針刺手法誘發神經電信息編碼存在差異，這可能是不同針刺手法效應差異的機制之一，同時也探討了針刺誘發神經放電的相關機制，這為從神經系統角度研究針刺作用原理提供了新的思路。

從現有的研究結果來看，仍有一些問題我們尚不能解釋，例如在神經通路的不同節點，針刺手法電信號有著不一樣的變化規律，這可能與神經元內在興奮性相關，或者與神經網絡的相互作用有關。因此，進一步鑒定對針刺有響應的神經元類別、探究信號轉導方式及過程，明確不同針刺手法/頻率對神經元影響的差異，以及對效應指標的影響，都將是我們今后研究的內容。這些研究將有助于揭示手針作用原理，闡釋針刺手法效應差異的科學機制。

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