人脑对不同频率穴位电刺激反应的功能性磁共振成像
生理学报2001年第4期第53卷
1北京解放军306医院磁共振室；北京100101；2北京大学神经科学研究所；北京100083 金真1；张蔚婷2；罗非2；张奎伶1；张磊1；曾亚伟1；韩济生2*
关键词：磁共振；功能性脑成像；穴位体表电刺激；针灸；镇痛
摘要：利用功能性磁共振方法研究人脑对不同频率穴位体表电刺激（transcutaneouselectricnervestimulation,TENS）的反应。实验对11名志愿者进行了22次脑部功能性磁共振成像。成像过程中,每名志愿者分别接受了2和100HzTENS刺激,刺激部位为左腿足三里和三阴交穴。结果为不同频率TENS都激活了初级和次级躯体感觉区。频率特异性的激活信号出现在与运动相关的区域、丘脑、边缘系统和联络皮层。结果显示,在相同穴位给予不同频率的TENS可以在大脑引起不同的反应,提示2和100HzTENS可能激活了不同的神经通路,这些神经通路分别在中枢神经系统起着不同的作用。针灸疗法用于缓解疼痛和治疗其他疾病已有几千年的历史。为了在保持传统针灸疗效的基础上,提高针灸的标准化程度和易操作性,电针（electroacupuncture,eA）或穴位体表电刺激（transcutaneouselectricnervestimulation,TENS）作为针灸的替代方法,已被广泛应用［1,2］。
以往的研究表明,中枢神经系统对不同频率的穴位体表电刺激有不同的反应。例如:（1）在啮齿类动物和人的脊髓水平均可证实,2Hz电刺激可以动员内源性脑啡肽（enkephalin）作用于μ和δ阿片受体,而100Hz电刺激可促进体内释放强啡肽（dynorphin）,与κ阿片受体结合［3,4］;（2）损毁大鼠下丘脑的弓状核可以去除2HzEA的镇痛效应,而100HzEA的镇痛效应随脑桥臂旁核的损毁而消失［5,6］;（3）研究电针后不同脑区c-fos基因表达的变化结果表明,2和100HzeA各有其特异性的激活脑区模式［7］。这些结果提示,中枢神经系统可能具有对不同频率的穴位体表电刺激作出特异性反应的能力。这些特异性反应可能代表了不同针灸手法和不同电刺激参数产生不同治疗效果的可能机制［8］。
功能性脑成像显示的是功能整合的总体结果,早期的功能性脑成像资料多来自正电子发射断层摄影（positronemissiontomography,pET）。近年来,技术上已经可以利用临床常见的磁共振成像仪检测脑内血氧水平依赖性（bloodoxygenation-leveldependent,bOLD）信号,某一脑区BOLD信号增大说明该脑区血氧饱和度增高,脑活动增强,故称为功能性磁共振成像（functionalmagneticresonanceimaging,fMRI）。fMRI因其无创无放射性,已经成为整体脑功能研究的重要方法［9,10］,尤其适合那些不能在动物身上进行的有关人高级神经心理活动的研究。目前,fMRI已用于针刺研究,并取得了某些成果［11～13］。但迄今为止,尚无关于在同一穴位使用不同频率电刺激激活不同脑区的fMRI研究报道。本工作的目的即在填补这一空白,观察在不同频率tENS刺激下人脑磁共振功能成像的特异性反应。
1材料和方法
1.1实验对象共有6名男性和5名女性健康志愿者参加了本次试验,年龄在21～30岁之间。实验对象均无精神或神经病史,实验前近期内无疼痛、抑郁等身体和精神症状。11名被试中,10名从未接受过针灸或类似治疗,1名因头痛曾经接受过针灸和TENS治疗。在给予TENS刺激前后,分别测量被试的热痛阈,以刺激前后的痛阈变化百分数表示镇痛效果。超过40%者确认为TENS治疗有效者,其余为无效者。
1.2经皮穴位电刺激（TENS）将一对表面附有自粘导电胶的刺激电极分别置于被试者左腿的“足三里”和“三阴交”穴,并接通韩氏穴位神经刺激仪（Han′sacupointnervestimulator,HANS,LH202H型,北京华威有限公司生产）给予方波TENS刺激。刺激频率为2Hz（波宽600μs）或100Hz（波宽200μs）,刺激强度采用不引起被试者产生疼痛或其他不愉快感觉的最大强度,范围在6～21mA之间,在正式实验开始前预先确定。刺激时间为每次1min,一次fMRI扫描中共给与间断的3次TENS刺激。每名被试者按随机顺序先后进行2和100HzTENS的fMRI扫描。
1.3实验模式如图1所示,每次功能性磁共振扫描持续6min,分为6个组块,R1、R2、R3为静息相,不给予TENS刺激;S1、S2、s3为刺激相,给予TENS刺激,每组块长1min。
1.4图像数据的获取采用1.9TGE/ElscintPrestige全身MRI扫描仪（GE/ElscintLtd.,Haifa,israel）和标准的头线圈。功能性图像采用单次激发梯度回波（single-shotEPI）T2*加权的序列,获取脑内BOLD信号,层厚/间距（THK）=6.0/0.0mm,分辨率=2.9×2.9mm,脉冲重复时间/回波时间/反转角（TR/TE/Flip）=3*#000ms/45ms/90°,图像范围（fieldofview,FOV）=373mm×212mm,数据矩阵（Matrix）=128×72。每3s可获得无间隔的覆盖全脑的20层图像,6min连续扫描可获得120个时间点的各层图像。另外,还对每个被试者进行了梯度回波T1加权的3D解剖像扫描（TR/TE/Flip＝25/6/28°;FOV＝220mm×220mm;THK=2/0mm;Matrix=220×220）,用于随后图像的Talairach转化,以及自旋回波T1加权解剖像扫描（TR/TE=750/12ms;FOV=220mm×220mm;THK=6/0mm;Matrix=220×220）用于图像的对齐与构建。
1.5数据后处理与统计分析应用软件的一部分获赠于美国德州大学科研影像中心（ResearchImagingCenter,UniversityoftexasHealthScienceCenteratSanAntonio）,另一部分（AnalysisofFunctionalneuroImage,AFNI）［14］为免费下载的共享软件。图像重建后,首先进行头动矫正,然后将功能像与解剖像对齐,随后所有图像都进行Talairach标准化,并在Talairach坐标下将fMRI图像重新采样成为3mm×3mm×3mm的点素矩阵。将TENS有效者的数据进行平均后,采用双侧独立t检验分别对每个被试和平均数据进行分析,t值大于2.63（P＜0.01）且相连像素大于3个的信号被保留,成为激活信号。同时绘出像素fMRI信号强度随时间变化的时间-信号曲线（time-course）。
扫描刺激过程中,被试者均未有疼痛、恶心、呕吐等不适感觉,几乎所有被试者（1名例外）在TENS刺激时,可感觉到刺激部位不同程度的麻木、满胀感。
两种频率TENS激活区域某一像素的时间-信号曲线如图2所示。其它激活像素的曲线与它们类似。信号增强主要发生在刺激相。其中100HzTENS的时间-信号曲线在静息相R2和R3中逐渐升高,未能回到R1水平。
两种频率的TENS都激活了双侧的初级（中央后回）和次级（顶盖）躯体感觉区（SI、SII）,双侧岛叶（Ins）、顶上小叶（SPL）、扣带回（CG）、小脑（Cb）、同侧颞上回（STG）、颞中回（MTG）和对侧额下回眶部（IFGOr）、额盖（FOp）、壳核（Pu）和脑桥（Pons）。两种频率TENS激活脑区的区别在于:（1）只有低频TENS激活了运动相关的区域,包括对侧的初级躯体运动区（中央前回,M1）和双侧运动辅助区（中央旁小叶前部,SMA）。低频TENS还特异性地激活了双侧的腹侧丘脑（VTh）和底丘脑（STh）、对侧额中回（MFG）、颞上回（STG）、颞中回（MTG）、颞下回（ITG）、内嗅叶（Ent）和同侧额下回眶部（IFGOr）、额盖（FOp）和壳核（Pu）。（2）高频TENS特异性激活双侧的背侧丘脑（DTh）、同侧的额上回（SFG）、颞下回（ITG）、脑桥（Pons）和对侧的枕回（OcG）。（3）在扣带回,100Hz（756个像素被激活）的激活体积显著大于2Hz（160个像素被激活）（P＜0.05）。
fMRI是研究针灸作用机制的一种有效手段,有关传统针灸的fMRI研究已有报道［11～13］,但结果并不完全一致。这可能是因为人群对针灸的反应有一定的个体差异,且在不同研究中由不同针灸师施与的针灸刺激手法各异。本次研究采用TENS的刺激方式,固定了刺激的部位、时间、波形等参数,并选用了TENS镇痛有效者,从而消除了上述因素的可能影响。这样就可以在严格控制的条件下比较不同频率TENS刺激的效果。
从图2不同频率TENS的时间信号曲线可以看出,信号的增加主要发生在刺激相,其中2HzTENS的on-off锁时关系更加明确,100HztENS的曲线与2Hz有明显的不同,其神经生理学意义有待探讨,用时间敏感性更高的事件相关fMRI将会有所裨益,也是未来研究的发展方向。
本文的结果表明,高频和低频TENS均可激活SI、SII和小脑,这可能是腿部电刺激的直接作用结果。我们注意到低频TENS激活了M1和SMA等运动相关区域。其可能的原因有二:一是在低频刺激时可以看到小腿随刺激而收缩,经典的解释应为肌肉等的本体感觉传入可以直接通过脊髓反射引起同一梭外肌收缩。本实验观察到高级中枢运动相关区域的激活可解释为高级中枢对低级反射的调控;二是中央前回本身也是本体感觉投射中枢［16］。此外,有临床试验表明， 低频TENS治疗可以帮助中风后偏瘫的上肢提高运动机能［17］,该效应可能与本文所见运动相关区域的激活有密切关系,当然也不能排除脊髓本身的整合作用。
值得注意的是不同频率的TENS在丘脑的激活区域有明显的不同:2Hz激活了腹侧丘脑和底丘脑,而100hz则只激活了背侧丘脑。腹侧丘脑和底丘脑除了接受上行的感觉冲动以外,还接受来自小脑和纹状体的精细运动信息,这一结果与前所述只有低频TENS激活运动相关区的结果是一致的。相反,100HzTENS所特异性激活的背侧丘脑更多的是作为一个感觉整合中心,而不接受任何特异性的上行感觉投射［18］。与我们结果相一致的是,位于大鼠背侧丘脑的室旁核可以特异性地响应100HzEA的刺激而早期表达c-fos基因［7］。应用放射自显影技术进行的受体结合试验也表明,在室旁核很高密度的κ阿片受体,相反在该核团却检测不到μ和δ阿片受体的结合［19］,而κ受体正是高频EA或TENS促进体内释放的强啡肽的特异性受体［3］。以上结果提示背侧丘脑,特别是其中的室旁核,是高频TENS作用通路中的特异性位点之一。
包括扣带回前部（ACG）、岛叶、梨状叶、海马等结构在内的边缘系统,长久以来被认为与疼痛,特别是其中情感和认知的成分有密切的关系（有关综述参见文献20～22）。神经病学［23］以及PET［24］的研究都提示,在痛觉相关的情感、注意以及评价过程中,aCG起到了关键性的作用。高频穴位电刺激在ACG引起强烈的激活信号,提示高频电刺激实现镇痛作用时,部分可能是通过作用于ACG,从而影响痛觉的情感和认知功能而实现的。相反,2Hz的镇痛作用则可能较少地依赖于它在ACG的作用。当然,需要更精确的可以区别痛觉不同成分的实验设计来证明这一假说。
在联络皮层,不同频率的TENS也有不同的激活模式,特别值得注意的是在前额叶,即除运动区以外的额叶部分,我们发现双侧的额下回眶部和额中回在低频TENS都有较大范围的激活,而相应区域在高频TENS的激活则很小或没有。前额叶在人类尤其发达,在痛觉的调制中一向被认为与疼痛反应动作的计划性、优先性等有关［20］,TENS在这一区域的激活可能是低频TENS镇痛的原因之一。
本文还发现了一个有趣的现象,即TENS刺激时,除部分脑区为双侧激活外,2HzTENS激活的单侧脑区都是刺激部位的对侧脑区激活,而在100HztENS激活的单侧脑区中,对侧和同侧激活大约各占一半。似乎100Hz刺激的激活区域在两半球更为平衡。这一现象有何生理意义,尚待进一步研究。
总之,本文的结果表明， 不同频率的TENS可以激活不同的脑区,其中低频TENS选择性地激活腹侧丘脑、底丘脑和内嗅叶,而高频TENS则激活背侧丘脑和扣带回。
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received2000-10-26Accepted2001-01-17
thisworkwassupportedbytheNationalBasicResearchProgramofChina（G1999054000）
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