基于皮質分析睡眠剝奪后針刺神門穴對大腦局部一致性的影響

馮思同 賈竑曉 鄭思思 姚 昊 馮正田 劉鑫子 蔡永麗 寧艷哲*

(1.首都醫科大學附屬北京安定醫院 國家精神心理疾病臨床醫學研究中心 精神疾病診斷與治療北京市重點實驗室，北京 100088；2.人腦保護高精尖創新中心 首都醫科大學，北京 100069；3.北京中醫藥大學東方醫院針灸科，北京 100078)

睡眠剝奪(sleep deprivation, SD)是指由于自身或外界因素導致個體睡眠缺失，睡眠時間少于4 h，從而引起心理及生理功能改變的狀態[1]。研究[2]顯示24 h SD會導致個體的情緒、學習記憶、認知功能和免疫力等一系列的異常改變，嚴重影響心理和身體健康。更為重要的是，睡眠剝奪24 h后會造成認知功能和工作效率降低30%左右[3]。靜息態功能磁共振成像(resting state function magnetic resonance imaging, rs-fMRI)相關研究[4-5]表明SD后個體的腦神經功能會發生改變，其中局部一致性(regional homogeneity, ReHo)在不同的腦區有異常改變。2004年有研究者[6]提出了采用ReHo來分析不同腦區功能活動的特點，并且可以評價基于體素組成不同團塊的相似性。以往的影像學研究[7]顯示24 h SD多個腦區的ReHo值發生了異常改變，涉及到中央前回、顳葉和額葉等，這與個體情緒、學習記憶等功能改變密切相關。近年來，研究者一直在尋求可改善SD不良影響的治療措施，包括藥物和非藥物手段。針灸是中醫學的重要組成部分，在改善睡眠和認知方面取得較好的臨床療效，但相關的效應機制尚未明確。研究[8]顯示針刺三陰交穴可明顯改善24 h SD組的情緒相關腦區，并對腦網絡活動有顯著影響。然而，目前針刺神門穴對SD的腦功能活動影響的文獻報道較少。因此，本研究運用rs-fMRI技術觀察睡眠剝奪前后和針刺SD組受試者神門穴前后腦區ReHo的改變，旨在探究針刺神門穴對SD腦區ReHo變化的影響。

1 對象與方法

1.1 研究對象

健康受試者為北京中醫藥大學和首都醫科大學在校學生，30名(男性16人，女性14人)，平均年齡(25.20±2.20)歲；受教育年限：(18.10±2.45)年；匹茲堡睡眠質量指數(Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI)評分(2.13±1.78)分。本研究已經獲得首都醫科大學附屬北京安定醫院倫理委員會批準[批件號：(2020)科研第(42)號-202065FS-2]，所有被試在實驗開始前均自愿簽署知情同意書，并且在試驗階段可隨時退出。

1.2 納入與排除標準

1.2.1 納入標準

全部符合以下6項者： ①年齡18～35周歲，右利手；②睡眠正常，睡眠習慣良好，PSQI測試分數<5分；③近一年無明顯的壓力刺激、創傷以及其他應激狀態出現；④無心、腦、肝、腎和血液等系統疾病；⑤無焦慮、抑郁、躁狂等相關精神疾病病史；⑥無磁共振掃描禁忌證。

1.2.2 排除標準

①有藥物、乙醇、煙等依賴史者；②倒班工作者；③月經周期階段、孕期、哺乳期或生育后不超過1年者。

1.3 試驗流程

試驗從早晨8:00開始到次日早晨8:00結束,于首都醫科大學附屬北京安定醫院特定實驗室內開展，主試人員全程陪同被試者以防止在睡眠剝奪過程進入睡眠狀態。在試驗前，告知被試者試驗流程和注意事項，使被試者充分了解并配合主試人員。被試者需在睡眠剝奪前后和針刺后分別進行磁共振掃描，在磁共振掃描前，被試者需保持安靜狀態30 min以上，囑其放松。睡眠剝奪前，先用靜息態磁共振掃描8 min 10 s，隨后進行T1結構像掃描。在睡眠剝奪過程中，被試者可以進行上網、打牌、玩游戲等自主活動，但不允許被試者服用興奮或者抑制神經系統的食物或者藥物。睡眠剝奪后24 h，被試者先靜息態磁共振掃描8 min 10 s，隨后進行針刺態磁共振掃描[9]，雙側神門穴進針，進針后進行平補平瀉法捻針1 min，再留針8 min后取針。在結束針刺態掃描后T1結構像掃描4 min 10 s。

1.4 掃描設備與參數

本研究采用首都醫科大學附屬北京安定醫院的磁共振設備，為德國西門子公司3.0T Prisma超導磁共振掃描儀。掃描參數：①功能像參數：視場(field of view, FOV)=225×225，數據矩陣(data matrix)=64×64，層厚= 3.5 mm，重復時間(repetition time, TR)=2 000 ms，回波時間(echo time, TE)=30 ms，翻轉角(flip angle)=90°。②結構像參數為 FOV=250×250，矩陣=256×256，層厚=1 mm，TR=1 900 ms，TE=2.52 ms，翻轉角=90°。掃描時使用海綿墊固定被試者頭部，以防止頭部運動，并且囑其閉眼，不要睡覺，保持清醒，同時在每個掃描序列開始前提醒并查看被試者是否睡覺，掃描結束后詢問被試者是否在掃描過程中入睡，明確所有被試者在實驗過程中保持清醒。

1.5 針刺處理

①針刺穴位：神門穴，位于腕掌側橫紋尺側端，尺側腕屈肌腱的橈側凹陷處，針刺深度0.3～0.5寸(1 寸≈ 3.33 cm)。針具為北京中研太和醫藥有限公司的一次性銀質針灸針(0.30 mm×25 mm)。②質量控制：研究全程由兩位針灸醫師進行針刺操作，兩人同時進針。進針得氣后，采用平補平瀉的手法，捻轉1 min，靜置留針8 min。

1.6 圖像處理

首先使用MRI cro對功能磁共振的原始數據篩選，剔除圖像偽影過大或不完整的數據，數據處理基于MATLAB2019a平臺。應用中國科學院心理所開發的DPABISurf軟件(http://rfmri.org/DPABISurf)對原始數據進行預處理[10]。首先，將數據格式轉化為NIFTI格式，對T1加權圖像進行校正、顱骨剝離、腦組織分割(針對提取的腦脊液、白質和灰質)，分割左右半球以及皮層下結構，隨后重建腦皮質，以T1加權圖像為模板進行空間標準化[應用蒙特利爾神經(Montreal Neurological Institute, MNI)空間]。隨后，去除前5個時間點，以每個TR的中間時間體積定義為參考體積，并生成其顱骨剝離版本，進行時間校正、頭動校正(頭部移動超過2 mm或者旋轉度超過2°的圖像將被剔除)、空間標準化(空間歸一化為MNI空間，并重新采樣為2 mm的各向同性體素大小)。使用DPABISurf對皮質和體積功能數據進行協變量回歸， 在軟件運行過程中，為了計算某一個頂點的ReHo值，需要計算其最近鄰頂點，并計算所有頂點血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)時間序列的Kendall一致性系數(Kendall’s consistency coefficient, KCC)，對整個大腦表面的每個頂點重復這個過程，形成全腦范圍的ReHo圖像，最后采用高斯函數對所有受試者進行空間平滑。

1.7 統計學方法

使用DPABISurf中的統計分析對ReHo圖像進行配對t檢驗，得到睡眠剝奪前后和針刺神門穴前后ReHo變化的腦區。以P<0.01為差異有統計學意義，隨后采用Bonferroni校正，以P<0.005為差異有統計學意義。最終結果展示包括有統計學意義的異常腦區的具體解剖位置、團塊大小，最高點坐標及相應的峰值T值。

2 結果

2.1 24 h SD后ReHo值異常的腦區

與睡眠狀態下相比，SD后可引起較多腦區ReHo值的改變(表1,圖1)。其中ReHo值顯著升高的腦區包括左側第二視皮質、左側中央前回、左側顳橫回、右側初級視皮質、右側顳上回和右側中央旁小葉；而顯著降低的腦區包括雙側后扣帶回、雙側角回、雙側背外側前額葉、左側緣上回、左側顳中回、右側緣上回和右側中央前回。

表1 24 h SD后ReHo改變的腦區Tab.1 ReHo in brain regions before and after 24 h SD

圖1 24 h SD前后主要腦區的ReHo變化Fig.1 ReHo in main brain regions before and after 24 h SD

2.2 針刺神門穴前后ReHo值異常的腦區

基于ReHo值分析發現，針刺神門穴可引起左半球多個腦區的ReHo值改變。與SD后相比，針刺后ReHo值顯著升高的腦區包括頂上回、背側視皮質和顳中回；而針刺后ReHo值明顯降低的腦區包括后扣帶回、前扣帶回、腦島、背外側前額葉、顳上回、眶部額下回、角回、顳下回和初級視皮質。而與SD前相比，針刺神門穴后各個腦區的ReHo值無顯著性改變(表2，圖2)。

表2 針刺神門穴后ReHo改變的腦區Tab.2 ReHo in brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

圖2 針刺神門穴前后主要腦區的ReHo變化Fig.2 ReHo in main brain regions before and after acupuncture at point Shenmen

3 討論

神門穴是臨床針刺的常用穴位，為手少陰心經的原穴，可調臟腑、通經絡[11]。在《針灸大成》[12]中提到了神門穴的治療范圍：“神門，掌后銳骨端陷中……主心性癡呆，健忘，心積伏梁，大小人五癇”。此外，明代典籍《醫學入門》[13]也提出：“神門主驚悸，怔忡，呆癡等疾，及卒中鬼邪，恍惚振禁，小兒驚癇”。針刺補瀉神門穴能夠寧心安神，廣泛應用于治療精神類疾病。以往的研究[14]顯示，針刺治療失眠癥時選用神門穴治療的頻率最高，其治療失眠療效顯著，是失眠癥針灸治療選用的“一級主穴”。現代醫學研究[15-16]表明，針刺神門穴可以激活中樞神經系統，降低覺醒，促進深度睡眠，改善腦神經活動，緩解情緒。因此，本研究采用自身前后對照的試驗設計，首先基于ReHo分析來觀察24 h SD前后腦功能活動的改變，隨后探究針刺神門穴對SD后腦功能紊亂的干預效應。

SD后個體的注意、工作記憶等認知功能和情緒均有不同程度的損傷，影像學研究[17]顯示額頂網絡與突顯網絡激活的程度有所降低，并且默認模式網絡(default mode network, DMN)負激活減弱。盡管許多影像學研究觀察到了SD后腦區的異常改變，但是目前尚無統一定論。ReHo值可以衡量在一個功能團塊中的所有體素變化的一致性和相似性，同時可間接反映出局部腦區功能活動的時間同步狀態，進一步推測相對應腦區的功能活動。本研究顯示與SD前相比，SD后多個腦區神經活動的協調一致性功能異常，包括額葉、角回、中央前回等；而與針刺神門穴前相比，針刺后左半球多個腦區的局部協調一致性也出現了明顯改變。

以往的研究[18]顯示SD后個體的反應遲鈍與大腦DMN的激活密切相關。靜息態下DMN包含的腦區主要有后扣帶回、角回、內側前額葉皮質和背外側前額葉等。本研究顯示在24 h睡眠剝奪后，后扣帶回和背外側前額葉區域的神經活動協調一致性顯著降低。后扣帶回是DMN的核心節點，參與調節情緒、記憶和注意等功能活動，并發揮了關鍵作用。有研究[19]表明后扣帶回的ReHo值降低與個體的覺醒和警覺水平下降呈正相關。而本研究顯示針刺神門穴后被試者后扣帶回腦區的ReHo值顯著下降，這表明針刺神門穴可以降低覺醒，從而促進深度睡眠。背外側前額葉是負責個體執行與控制能力的核心區域，與工作記憶、推理等高級認知功能密切相關。本研究結果顯示，SD后雙側背外側前額葉的ReHo值均明顯降低，這表明SD會引起大腦情緒和認知功能的改變。而針刺神門穴后左側背外側前額葉的協調一致性有顯著改變，這可能與其時間效應有關。角回為視覺性語言中樞(閱讀中樞)，在個體閱讀理解、注意和社會認知等方面發揮著重要的作用[20]。本結果表明24 h SD后雙側角回神經活動的協調一致性明顯下降，這與被試者注意力降低、閱讀理解能力降低有關。而本研究顯示針刺神門穴后被試者左側角回的ReHo值相較于針刺前顯著下降，這可能與個體覺醒降低，使得注意和理解能力減弱有關。

顳葉同樣與情緒、工作記憶和睡眠等功能密切相關，是多種感知覺信息早期加工的主要腦區。有文獻[21]顯示慢性部分性SD后會導致雙側顳中回的ReHo值顯著增高。而本研究結果顯示急性24 h SD后被試的左側顳中回ReHo值顯著降低，這可能與SD對顳葉急性損傷有關。隨后筆者觀察針刺神門穴可以明顯增強左側顳中回神經活動的協調一致性，表明針刺神門穴可以改善SD后個體的情緒、認知和睡眠功能。此外，本研究結果顯示了相較于正常睡眠狀態，24 h SD后左側第二視皮質、左側中央前回、左側顳橫回、右側初級視皮質、右側顳上回和右側中央旁小葉神經活動的協調一致性顯著增強；左側緣上回、右側緣上回和右側中央前回神經活動的協調一致性明顯降低。然而，針刺神門穴后未發現其對上述腦區的顯著影響。與針刺前相比，針刺神門穴后左側頂上回和左側背側視皮質神經活動的協調一致性明顯增強；而左側前扣帶回、左側腦島、左側顳上回、左側眶部額下回、左側顳下回和初級視皮質神經活動的協調一致性明顯減弱。上述腦區改變的效應機制仍有待后續的探究。

綜上所述，本研究通過分析rs-fMRI的ReHo值，探究了睡眠剝奪前后不同腦區神經活動的差異，并且首次探索了針刺神門穴對SD后腦功能區的效應機制。結果表明24 h SD后與情緒、認知等功能多個相關的腦區神經活動異常改變。而針刺神門穴后，左側腦半球后扣帶回、背外側前額葉、角回和顳中回區域的神經活動協調一致性相較于針刺前顯著增強或減弱，這與降低覺醒、改善情緒和認知功能等方面密切相關。未來需要增加試驗的樣本量，運用多模態磁共振成像方法，進一步明確針刺神門穴對腦神經活動的效應機制。