彌散張量成像技術在針刺研究中的應用進展

薛宇晗 安軍明 趙 晶 紀昌春

(1 西安市中醫醫院,西安,710021; 2 陜西省中醫醫院,西安,710003)

近年來,腦功能成像技術取得飛速發展,被廣泛應用于神經學科領域的臨床研究。腦功能成像技術可實現從腦血流動力學、腦循環與代謝、神經生化遞質含量、葡萄糖代謝、水分子運動等多層次、多維度對大腦功能狀態進行研究[1-2]。其中彌散張量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI)是在常規磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)和彌散加權成像(Dffusion Weighted Imaging,DWI)基礎上發展起來的一種新MRI技術,可在無創狀態下,利用大腦內水分子在腦白質內彌散的各向異性,定量顯示腦白質纖維束結構及白質束形態的變化,同時因具有高特異性、可定量易量化、動態可視、功能分辨率強的特性,被廣泛應用在針刺研究[3]。因此,現通過對近年來DTI技術在針刺研究中的相關文獻進行檢索,從DTI技術的原理及特點、針刺穴位效應特異性、針刺在臨床及實驗研究中的應用等方面進行闡述,以期為針刺研究提供科學依據。

1 DTI技術的原理及特點

DTI是在常規功能磁共振基礎上發展起來的一種新技術,利用數學的方法表示大腦內水分子彌散的各向異性,能夠定量分析腦組織內水分子的彌散運動,量化腦白質神經纖維和功能束的特性,并能利用腦組織內水分子彌散的各向異性,實現定量顯示腦白質纖維束的成像方法[4]。同時也是目前唯一能在無創狀態下實現對腦白質活體結構及白質束形態檢測的技術。彌散是物質最基本的運動方式之一,在無外界環境干擾的影響下,在完全均質的水中,每個水分子可以做隨意的布朗運動,其向各方向運動的距離相等,稱這種彌散方式為各向同性;而另一種彌散存在方向依賴性,且各個分子向各方向運動的距離不相等,則稱為各向異性[5-6]。腦內水分子彌散在腦脊液與腦灰質中水分子的彌散運動基本為各向同性,而白質中為各向異性。因此,水分子的彌散模式可以直觀反映生理及病理狀態下腦白質結構的微觀變化[7]。目前主要用平均彌散率(Mean Diffusion Ratio,MDR)、各向異性分數(Fraction Anisotropy,FA)、表觀彌散系數(Apparent Diffusion Coeffecient,ADV)等參數描述腦白質纖維束完整性,其中,最常用的參數為FA值,能反映腦組織的各向異性程度,FA值在0～1之間,FA值越大,腦白質中神經纖維的完整性越高[8-9]。此外,在臨床中,還利用基于感興趣區域(Region of Interest,ROI)的分析方法,基于體素的分析方法、基于纖維束的分析方法、基于網絡的分析方法等[10],進行腦白質解剖的研究,腦白質相關中樞神經系統疾病的診治、同時利用DTI和功能MRI(Functional MRI,fRMI)技術結合優勢,探討疾病發病機制以及研究腦結構和功能的關系。

近年來,DTI技術在針刺臨床研究中取得了較大進展。首先,在常規fRMI基礎上拓展了針刺效應研究的范圍,主要涉及針刺在臨床研究中的客觀療效評價和針刺效應中樞機制兩方面的研究。

2 DTI技術在針刺穴位效應特異性研究中的應用

穴位既是針刺作用的靶點,又是針刺效應的關鍵部位,不同穴位在不同疾病狀態下發揮不同的作用效應,即腧穴效應的特異性。張華等[11]選取陽陵泉穴為針刺點,觀察針刺陽陵泉穴后腦卒中患者腦白質結構的變化,結果顯示與假穴組相比,針刺陽陵泉后腦卒中患者中央前后回、雙側頂下回等腦區的腦白質各向異性明顯增強,表明針刺陽陵泉穴能促使腦卒中患者腦白質微結構發生變化,從而調節優勢半球多個腦網絡的可塑性,實現功能的恢復,進而從針刺過程中腦白質微結構的變化驗證陽陵泉穴的特異性。HAN等[12]觀察針刺陽陵泉穴前后腦卒中后運動障礙患者磁共振彌散成像的變化,結果顯示針刺后患者右上縱束、皮質脊髓束和胼胝體的各向異性值顯著增加,運動前皮質/鄰近的輔助運動區與終止于邊緣上回之間相應的功能連接增強,進一步也表明針刺可增加受損白質束的修復,闡釋了針刺干預腦卒中的中樞神經機制。

3 DTI在針刺臨床研究中的應用

3.1 腦血管疾病 李靜等[13]采用DTI技術探討針刺對腦卒中患者皮質脊髓束重塑的影響,結果顯示針刺后卒中患者患側皮質脊髓束全段平均各向異性分數(Fraction Anisotropy,FA)值明顯增高,其中在皮質脊髓束局部節點(纖維束中段、頂段)的FA值增高更為顯著。另有研究對比針刺組與非針刺組對偏癱患者皮質脊髓束全段及各個節點FA值的影響,結果發現2組患者全段FA值均顯著增高,但在內囊后肢及初級運動皮層區域每100個節點上的FA值差異更顯著,表明針刺能增加運動通路節段的FA值,對偏癱患者恢復有效[14]。DTI是腦白質神經纖維結構重塑變化的常用檢測指標,能夠更加直觀地從腦結構角度探討針刺過程中腦白質神經纖維束的變化。針刺后腦卒中患者內囊后肢及運動皮層區FA值升高,說明針刺能有效促進腦卒中患者運動相關腦區皮質脊髓束結構的重塑,從活體腦白質結構的微觀變化證實了針刺改善腦卒中的中樞效應機制。此外,ZHAO等[15]采用頭針加低頻重復經顱磁刺激(Repeated Transcranial Magnetic Stimulation,rTMS)治療腦卒中后偏癱,治療后DTI結果顯示,患者腦白質神經纖維束(如小鉗、左額枕下束、左下縱束、左上縱束和左鉤束)的各向異性值增加,平均彌散值減少,從而說明針刺加低頻rTMS能夠促進腦白質纖維束的修復,改善偏癱患者功能。

3.2 認知功能障礙 張晴晴[16]觀察通督調神針刺對血管性認知障礙的療效,與尼莫地平比較,治療后DTI結果顯示,通督調神針刺組患者左右兩側額葉、胼胝體膝部、胼胝體壓部FA值顯著增高,表觀彌散系數(Apparent Diffusion Coeffecient,ADC)值降低。HUANG等[17]研究表明血管性認知障礙患者中下額葉枕束FA值降低,而治療前ADC值均較高,治療后降低,通督調神針刺組降低幅度更為顯著。不同腦區針刺后FA值結果不一致,其可能與病程有關,早期ADC值高,說明腦白質纖維束細胞已經發生病變。此外,王豐[18]基于結構與功能fRMI探討針刺改善輕度認知障礙的中樞機制研究,結果顯示與康健人比較,針刺前認知障礙者右側矩狀及周圍皮層、雙側額中回、右側頂上回腦區FA值減小,左側舌回區FA值增大;針刺后認知障礙患者右側小腦腳、左側楔前葉、左側額中回、右側頂上回、右側矩狀裂及周圍皮層區FA值增大;右側枕中回FA值減小,其中左側額中回、右側頂上回FA值針刺前降低,針刺后增大。認知功能障礙患者存在不同程度的腦白質變性,針刺后上述相關腦功能區FA值增大,表明針刺可重塑認知障礙患者相關腦區的微結構和功能網絡連接,從而改善認知功能。進一步證實針刺對腦功能的重塑與整合,從腦功能微結構的變化揭示針刺改善認知障礙的中樞效應機制。

3.3 頸髓損傷 楊叢慧[19]在常規治療基礎上選取督脈、夾脊、曲池、外關、合谷穴,連接電針治療頸髓損傷患者上肢功能障礙,并采用DTI技術觀察治療神經纖維束的變化,與健康人比較,基礎觀察組和基礎加電針組治療前FA值降低,損傷區明顯低于損傷區遠端,ADC值升高,損傷區域及損傷區遠端無顯著差異,而治療3個月后,2組FA值、ADC值無顯著變化,但DTI顯示電針組頸髓損傷神經纖維有修復的趨勢,可能與頸髓損傷納入病例病程及電針干預的時機有關。

3.4 腦部其他相關疾病 除腦血管疾病、認知功能障礙、脊髓損傷外,DTI在針刺對腦部其他相關疾病如腦卒中后吞咽障礙、抑郁癥、偏頭痛、網絡成癮等治療方面均有研究,取得一定的進展。

李紅亞[20]利用DTI技術研究電針對網絡成癮(Internet Addiction Disorder,IAD)患者腦白質微結構的改變,結果顯示IAD患者丘腦白質的FA值低于正常人,RD值高于正常人,右側扣帶回的RD值高于正常人,而電針對IAD患者腦白質微結構改變不明顯,可能與治療療程、病程有關。吳文寶等[21]采用DTI技術觀察“利咽通竅”針法對腦卒中后吞咽障礙的療效,結果顯示,利咽通竅針刺組患者右側額島葉纖維束明顯增多、FA值增大,其機制可能是針刺刺激腧穴調節大腦皮質重塑,提高腦卒中區域FA值。王佩蓉等[22]采用DTI技術觀察針刺聯合文拉法辛治療抑郁癥的療效,結果顯示,針藥組雙側額葉白質、顳下回白質、顳枕深部白質FA值均高于藥物組,進一步說明針刺通過參與修復抑郁相關腦區腦白質神經纖維束微觀結構發揮抗抑郁的作用。楊慧琳[23]研究針刺對抑郁癥患者特定情感環路及其相關腦區功能結構的影響,與健康受試者比較,針刺組雙側額中回、海馬旁回、胼胝體等FA值均低于正常組,左側額中回、左側額下回眶部、胼胝體等平均彌散率(Mean Diffusivity,MD)值均高于正常組,針刺組治療前后腦白質神經纖維束無顯著變化。陳旭輝等[24]研究電針對偏頭痛患者DTI的特點及作用機制,選取少陽經特定穴作為針刺穴位,與健康受試者對照,結果發現,偏頭痛患者的右側海馬FA值均低于正常人,且兩側海馬的FA值存在差異性,說明右側海馬功能改變與偏頭痛發病有關。

此外,除腦部相關疾病外,針刺結合DTI技術對乳腺癌患者化療相關認知障礙[25]、功能性消化不良[26]、腰椎間盤突出癥[27]、腕管綜合征[28]、頸椎病[29]、青少年肥胖[30]等病癥進行了研究,結果表明針刺均可調節不同腦區白質纖維束的各向異性,參與腦白質纖維微結構的修復與再生,從而發揮針刺治療作用的中樞效應機制。

以上研究均表明,DTI技術在研究中所涉及的疾病,以腦血管疾病為主,特別是腦血管病變相關腦白質病變更為常見,其次是精神類、骨關節病和消化系統疾病。針刺對多種腦部疾病均有顯著療效,其機制是針刺能夠調節病變相關腦區腦白質神經纖維的修復。總之,DTI技術的應用,能夠從針刺過程中腦白質微結構的客觀變化,定量直觀地揭示在疾病病理狀態下針刺療效的中樞作用機制。

4 DTI在針刺實驗研究中的應用

張冰雪等[31]以血管性癡呆大鼠為研究對象,觀察電針“百會、神庭”對血管性癡呆大鼠腦白質纖維的影響,治療后結果顯示,與模型組比較,電針組海馬、扣帶回、胼胝體、外囊白質纖維FA增加,提示電針“百會、神庭”穴改善血管性癡呆大鼠記憶功能,可能與針刺參與修復胼胝體、海馬等腦白質纖維有關。WU等[32]進一步探討,針刺“百會、手三里”等穴對腦卒中大鼠模型的機制,治療后DTI結果表明,腦卒中大鼠缺血灶中心和邊緣的相對表觀彌散系數(Relative Apparent Diffusion Coefficient,rADC)、相對分數各向異性(Relative Fractional Anisotropy,rFA)值首先降低,然后不同程度地增加,為針刺治療腦卒中提供客觀定量依據。林冰冰等[33]采用DTI觀察電針“曲池、足三里”對缺血性腦卒中大鼠運動皮層-紋狀體神經傳導束的影響,結果顯示與模型組比較,電針后卒中大鼠缺血側運動皮層、紋狀體rFA增加,相對纖維束數增多,提示針刺可能通過參與缺血側運動皮層-紋狀體神經傳導束損傷的修復,來改善卒中大鼠的運動功能。此外,慢性腦低灌注引起的腦白質病變與血管性認知障礙有關,既往研究表明針刺可改善血管性癡呆患者的認知功能障礙。有研究發現,針刺改善了BCCAO大鼠的認知功能障礙,增加了腦血流量,保護了髓鞘完整性,針刺對腦白質的這些保護作用與改善腦血流量顯著相關[34],說明針刺通過改善腦白質灌注和完整性來保護BCCAO大鼠的認知功能。還有研究者將DTI技術運用在周圍神經損失修復的擴散可塑性研究,選取環跳、足三里穴,電針坐骨神經切斷吻合大鼠,觀察皮質脊髓束、脊髓丘腦束和內囊區,FA、軸向擴散率(Axial Diffusivity,AD)及徑向擴散率(Radial Diffusivity,RD)的變化,結果顯示,電針干預后各腦區DTI各項參數均顯著的差異性變化,說明電針能夠加速感覺和運動神經通路修復周圍神經[35]。

由上可見,針刺實驗研究選穴與臨床應用具有一致性,涉及疾病也大致相同,忽略針刺實驗研究造模及DTI技術應用時的局限性,針刺實驗研究結果驗證了針刺作用效應靶點還是在對腦白質纖維束微結構的修復。

5 小結與展望

綜上所述,目前DTI技術是唯一能夠觀察腦白質纖維變化的動態可視化腦功能成像技術,能直觀展示大腦結構在針刺過程中的客觀變化。無論是在臨床研究還是實驗研究中,選取不同腧穴配伍針刺,均會引起不同腦功能區腦白質神經纖維的各向異性特異性變化,其作用機制是當針刺作用于效應靶點時參與腦白質神經纖維束微結構的重塑。進一步從腦功能微結構的直觀變化驗證針刺作用效應的中樞機制。

總之,將DTI技術應用在針刺的研究中,實現了在無創狀態下,從腦白質內水分子的運動,多維度,多層次動態研究針刺對同一疾病狀態下、不同腦區腦功能結構的影響,從腦功能微觀結構的變化為針刺效應機制的研究提供了新思路。

此外,DTI技術在針刺研究中也存在問題亟須改進:1)針刺臨床及實驗研究中,主要以腦血管疾病為主,針刺操作參差不齊,甚者部分研究中二者治療后DTI參數并無顯著變化,結論還需進一步驗證;2)在DTI技術針刺研究中,發現腦成像對腦內復雜的神經纖維束結構不敏感,更無法準確判斷體素內的纖維走行分布;3)在針刺效應研究方面較為單一,對影響針刺效應的針刺手法、刺激參數、得氣、治療時間療程等因素不足,且缺乏統一規范的標準;4)DTI操作及數據采集方面也受多方面的影響,如檢查環境及患者的精神狀態以及意識思維活動等,應更進一步優化研究設計,采用多種DTI參數分析方法。只有將DTI技術科學規范應用在針刺臨床研究中,才能全面客觀地闡述針刺作用的中樞效用機制。DTI技術能夠反映針刺過程中腦白質機構的變化,未來可以用于頭皮針功能定位;其次,將正電子發射體層成像(Positron Emission Tomography,PET)腦功能成像技術與DTI技術結合進行局部、靜息態、非功能、整體性，多種成像方法多模態研究，同時結合神經遞質含量、內分泌免疫分子等方面，進行多學科、交叉性研究；最后，利用DTI技術評估針刺效應與腦網絡結構變化關系時，要重視患者本身腦功能網絡與大腦結構網絡之間的聯系。基于DTI圖像、數據的復雜性，可以采用人工智能提取DTI數據，以提高效率和準確率，助力DTI技術針刺效用的研究。

利益沖突聲明:無。