基于图论的针刺穴位脑功能连接基于图论的针刺穴位脑功能连接特异性研究特异性研究中国中医科学院广安门医院放射科任燕双Investigation of acupoint specificity by functional connectivity analysis based on graph theory报告内容报告内容 Overview一、研究背景一、研究背景 (Background)二、研究目的二、研究目的 (Objective)三、材料与方法三、材料与方法 (Materials and methods)四、实验结果四、实验结果 (Results)五、问题讨论五、问题讨论 (Discussion)六、结论六、结论 (Conclusion)一、研究背景一、研究背景 (Background)针刺穴位点的功能特异性是传统中医针刺理论的核心针刺穴位点的功能特异性是传统中医针刺理论的核心(Calrifying acupoint specificity is the issue of the mechanism of acupuncture)根据传统中医理论和大量临床证据，针刺不同穴位或者穴位根据传统中医理论和大量临床证据，针刺不同穴位或者穴位组合可以治疗不同疾病，尚缺理论基础组合可以治疗不同疾病，尚缺理论基础 (According to Traditional Chinese Medicine, acupuncture at specific acupoints is able to treat certain types of diseases)明确不同穴位点对应的不同中枢神经系统激活模式，即探寻明确不同穴位点对应的不同中枢神经系统激活模式，即探寻人体穴位点的特异性，是针刺机理研究道路上重要的一环人体穴位点的特异性，是针刺机理研究道路上重要的一环 (Calrifying that acupuncture at different points corresponding to different brain responses in central nervous system is the issue of the mechanism of acupuncture)目前多数研究利用现代影像手段试图证明穴位的治疗作用与目前多数研究利用现代影像手段试图证明穴位的治疗作用与脑功能区存在某种必然联系脑功能区存在某种必然联系fMRI fMRI 实验设计方法实验设计方法 组块设计组块设计（block design） p 组块：由若干具有相同性质的试验任务所组成的一个组块：由若干具有相同性质的试验任务所组成的一个刺激序列刺激序列p 交替向被试呈现试验任务和控制任务交替向被试呈现试验任务和控制任务p 组块刺激对后面的静息状态无任何后续影响组块刺激对后面的静息状态无任何后续影响 p 组块设计多次获取信号，其信号强度较高组块设计多次获取信号，其信号强度较高 事件相关设计事件相关设计（event related design）p针对一段时间的无任务状态为对照，快速给予一个任针对一段时间的无任务状态为对照，快速给予一个任务，然后再次进入一段无任务状态，其后再执行第二务，然后再次进入一段无任务状态，其后再执行第二次任务，重复上述过程次任务，重复上述过程 p时间分辨力得到很大提高时间分辨力得到很大提高 既往针刺既往针刺fMRI fMRI 研究存在的缺陷研究存在的缺陷q多采用多采用BlockBlock设计方法设计方法u以静息状态作为基线，依据以静息状态作为基线，依据BlockBlock设计的减法原理，将多次针刺引起相设计的减法原理，将多次针刺引起相关脑区信号增加进行叠加关脑区信号增加进行叠加u针刺具有持续性效应（后效应针刺具有持续性效应（后效应),),针刺停止后的静息状态基线水平发生改针刺停止后的静息状态基线水平发生改变，分析结果必然出现偏差变，分析结果必然出现偏差 ( Multiple-block design ignoring that there exists time-variability and long-lasting effects during the course of multiple-block acupuncture may not be able to fully disclose acupuncture effects)q仅关注针刺的即时效应仅关注针刺的即时效应u着重探讨针刺特定穴位与对应脑区的空间对应关系着重探讨针刺特定穴位与对应脑区的空间对应关系u针刺持续性效应对静息态大脑网络产生持续性的调针刺持续性效应对静息态大脑网络产生持续性的调节作用节作用(Imaging itssustained effect on the brain networks may further help elucidate the mechanisms by whichacupuncture achieves its therapeutic effects)非重复事件相关的实验设计方法非重复事件相关的实验设计方法 (the(the modified non-repeated event-related (NRER) design)p单组块后跟随一段时间静息的设计模式单组块后跟随一段时间静息的设计模式u静息静息- -单组块刺激单组块刺激- -静息静息p与临床上针刺操作模式一致与临床上针刺操作模式一致p能够克服传统能够克服传统BlockBlock设计用于针刺研究时的不足设计用于针刺研究时的不足p更简单易行更简单易行, , 受试者易配合受试者易配合, ,一致性较高一致性较高p结果分析影响因素较少结果分析影响因素较少图论图论 (the graph theory)p是目前复杂网络分析领域最主要的数学工具是目前复杂网络分析领域最主要的数学工具p在图论中，一个复杂网络可以表述为一个图。图由节在图论中，一个复杂网络可以表述为一个图。图由节点集合和边集合构成点集合和边集合构成。度是对节点互相连接统计特性度是对节点互相连接统计特性最重要的描述，最重要的描述， 也反映重要的网络演化特性。也反映重要的网络演化特性。p节点的度越大则该节点的连接就越多，节点在网络中节点的度越大则该节点的连接就越多，节点在网络中的地位也就越重要的地位也就越重要 脑功能连接分析脑功能连接分析 The functional connectivity analysis基于图论的功能连接方法基于图论的功能连接方法 (the functional connec-tivity based on the graph theory)p把各个脑区视为网络中的节点，分别计算各个节点与其它把各个脑区视为网络中的节点，分别计算各个节点与其它节点之间的连接强度，然后得到其它节点作用于该节点的节点之间的连接强度，然后得到其它节点作用于该节点的总连接强度总连接强度 (The nodes of the network denote the brain regions, and thelinks describe the connections or information flow amongThem) p该节点的总连接强度越大，说明其在网络中与该节点的总连接强度越大，说明其在网络中与其它节点的联系越紧密，即功能上更加相关其它节点的联系越紧密，即功能上更加相关 (A larger connectivity degree suggested that there existed a significant functional connectivity between this brain region and others; thus such region was considered to be an important node in this network)二、研究目的二、研究目的( Objective)以以针刺持续性效应针刺持续性效应为研究前提，借助为研究前提，借助fMRI技术手段，采用基技术手段，采用基于图论的脑功能连接分析方法，从脑网络核团组织角度，研于图论的脑功能连接分析方法，从脑网络核团组织角度，研究针刺同一个经络上的不同穴位和不同经络的不同穴位所引究针刺同一个经络上的不同穴位和不同经络的不同穴位所引发持续性效应的调节作用机制发持续性效应的调节作用机制 (To verify if some specific brain regions were related to the existence of point specificity of acupuncture among three different acupoints during post-stimulation resting state )三、材料与方法三、材料与方法 (Materials and methods)研究对象研究对象 (Subjects)3636名正常志愿者，男、女生各名正常志愿者，男、女生各1818名采取单盲名采取单盲（singleblind）法进行随机化分组法进行随机化分组( (每组每组1212人人, ,男女生各男女生各6 6名名) )q针刺内关穴针刺内关穴（PC6)PC6)组组 q针刺大陵穴针刺大陵穴（PC7)PC7)组组q针刺光明穴针刺光明穴 (GB37)(GB37)组组采用采用NRERNRER的实验设计方法的实验设计方法 (the modified non-repeated event-related (NRER) design)p1 min 的基线扫描后给予的基线扫描后给予2 min 的捻针操作，之后是的捻针操作，之后是1 min 静息态静息态扫描扫描实验步骤实验步骤针刺穴位的解剖位置针刺穴位的解剖位置 p内关穴内关穴(PC6)位于腕横纹上位于腕横纹上2 2寸寸p大陵穴大陵穴(PC7)位于腕横纹中点处位于腕横纹中点处 p光明穴光明穴(GB37)位于小腿外侧的腓位于小腿外侧的腓骨前缘，足外踝尖直上骨前缘，足外踝尖直上5 5寸处寸处行为数据评估行为数据评估q对针刺中的得气感按照对针刺中的得气感按照（visual analogue scale, VAS量表），量表），对酸、麻、胀、冷、热、尖锐痛、钝痛、重、麻刺感、痒、对酸、麻、胀、冷、热、尖锐痛、钝痛、重、麻刺感、痒、持续疼和挤压感等维度进行打分，满分为持续疼和挤压感等维度进行打分，满分为1010分分u1 13 3分为舒适分为舒适u4 46 6分轻度不适分轻度不适u7 78 8分不适分不适u9 9分为极度不适分为极度不适u1010分为无法忍受分为无法忍受u尖锐痛被定义为操作不当所致，若感觉为尖锐痛，则被排除尖锐痛被定义为操作不当所致，若感觉为尖锐痛，则被排除脑功能成像脑功能成像 p3.0T 磁共振扫描仪磁共振扫描仪（Signa GE，USA）u3D T1WI 结构图像参数：结构图像参数：TR/TE =2700 mse/3.39 mse，256 mm 256 mm 视野，视野，256256 256 256 矩阵，矩阵，7 翻转角，层面内的空翻转角，层面内的空间分辨力为间分辨力为 1 mm 1 mm，1 mm 层厚，层间隔层厚，层间隔 0，128 层层ufMRI 功能图像参数：功能图像参数：TR/ TE =2000 mse/30 mse，64 64 矩阵，矩阵，240 mm 240 mm 视野，视野，75翻转角，翻转角，32 32 层层数据预处理数据预处理 基于基于SPM5（http:/www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)软件平台软件平台u头动校正头动校正u配准配准u平滑处理平滑处理脑功能成像数据分析脑功能成像数据分析兴趣区的选择兴趣区的选择（region of interest, ROI）p考虑到针刺后效应的影响，我们选取针刺捻针刺激前后静考虑到针刺后效应的影响，我们选取针刺捻针刺激前后静息阶段的平均信号强度作为基线水平息阶段的平均信号强度作为基线水平 (Given that the sustained effects of acupuncture may continue into the post-stimulus period, the mean signal intensity of the resting period preceded by the active stimulation served as the baseline)p基于针刺刺激结果选择基于针刺刺激结果选择ROIsROIs，为每个个体获得，为每个个体获得25 25 个针刺个针刺刺激相关刺激相关ROI ROI 时间序列图像时间序列图像 (Finally,25 brain regions were selected as the nodes of the graph further tothe connectivity analysis)基于图论的功能连接方法基于图论的功能连接方法 (the functional connectivity based on the graph theory)p将研究脑区视为节点，其两两之间的连接信息用加权矢将研究脑区视为节点，其两两之间的连接信息用加权矢量或标量来表示量或标量来表示p 节点节点 i i 和和 j j 之间的连接度之间的连接度ijij， uij = exp (ij = exp (dijdij) )，是一个真正的绝对常数，是一个真正的绝对常数，在这里固定在这里固定2 2u测量两个节点之间关系的强度怎样随着距离下降测量两个节点之间关系的强度怎样随着距离下降p两个节点之间的距离两个节点之间的距离dijdijudij = (1dij = (1cij)/(1 + cij)cij)/(1 + cij)，cijcij代表两个节点之间的代表两个节点之间的Pearson Pearson 相关系数（即平均时间序列中交叉相关的两相关系数（即平均时间序列中交叉相关的两个）个）u 根据双曲线相关方法来计算根据双曲线相关方法来计算p图中节点图中节点i i的总连接度的总连接度i iu节点节点 i i 和其它所有节点的连接度之和和其它所有节点的连接度之和ui i =n nj =1j =1ijij = =i1+ i1+ i2+i2+ + ininv该公式描述了节点该公式描述了节点 i i 接受特定网络的信息量，具有较高的接受特定网络的信息量，具有较高的值意味着在这个网络中此脑区与其它脑区功能更相关值意味着在这个网络中此脑区与其它脑区功能更相关v在不同的脑活动状态下通过检测一些特定脑区的在不同的脑活动状态下通过检测一些特定脑区的值可能值可能会发现整个脑功能连接网络的变化会发现整个脑功能连接网络的变化p校正节点校正节点i i的的i i为公式为公式i=i=i / i / n nj =1j =1 j j四、实验结果四、实验结果（Results）行为数据结果行为数据结果 感觉频率的比较感觉强度的比较针刺不同穴位的即时效应针刺不同穴位的即时效应针刺不同穴位即时效应的大脑激活区域表现出明显的差异针刺不同穴位即时效应的大脑激活区域表现出明显的差异qPC6PC6u负激活负激活u边缘系统、旁边缘系统以及皮层下结构（杏仁核、脑岛、中脑导水管周边缘系统、旁边缘系统以及皮层下结构（杏仁核、脑岛、中脑导水管周围灰质以及绒球小结叶的蚓体小结和小舌）围灰质以及绒球小结叶的蚓体小结和小舌）qPC7PC7u负激活负激活u海马、旁海马、中脑导水管周围灰质、脑桥以及前侧小脑的部分结构海马、旁海马、中脑导水管周围灰质、脑桥以及前侧小脑的部分结构qGB37GB37u正激活正激活u枕叶皮层、边缘系统及小脑的部分核团枕叶皮层、边缘系统及小脑的部分核团针刺不同穴位的持续性效应针刺不同穴位的持续性效应PC6PC6q边缘系统的杏仁核、下丘脑、脑岛、小脑绒球小结叶的蚓体边缘系统的杏仁核、下丘脑、脑岛、小脑绒球小结叶的蚓体小结和小舌、中脑导水管周围灰质小结和小舌、中脑导水管周围灰质PC7PC7q旁海马、中脑导水管周围灰质、脑桥以及部分小脑结构旁海马、中脑导水管周围灰质、脑桥以及部分小脑结构GB37GB37q枕叶皮层、丘脑、脑桥枕叶皮层、丘脑、脑桥针刺不同穴位的即时效应和持续性效应针刺不同穴位的即时效应和持续性效应脑功能连接分析结果脑功能连接分析结果 在两侧大脑半球激活区域，我们仅选择具有显著差异在两侧大脑半球激活区域，我们仅选择具有显著差异t t值的值的解剖区域作为有代表性的解剖区域作为有代表性的ROIROI选择了选择了25 25 个个ROIROI作为图论的节点并进一步进行功能连接分析作为图论的节点并进一步进行功能连接分析, ,用用每个兴趣区的总的连接强度每个兴趣区的总的连接强度值值来量化脑网络中各节点的来量化脑网络中各节点的重要性重要性较大的较大的值提示这个脑区与其它脑区之间具有显著的功能连值提示这个脑区与其它脑区之间具有显著的功能连接度，被认为是脑网络中重要的节点接度，被认为是脑网络中重要的节点 针刺针刺PC6、PC7及及GB37 后各兴趣区体素的配准和后各兴趣区体素的配准和t t值值 Coordinates and t scores of the peak voxel within group ROIs following acupuncture at PC6, PC7 and GB37针刺针刺PC6PC6后静息脑网络中各兴趣区的总的连接强度后静息脑网络中各兴趣区的总的连接强度针刺针刺PC7PC7后静息脑网络中各兴趣区的总的连接强度后静息脑网络中各兴趣区的总的连接强度针刺针刺GB37GB37后静息脑网络中各兴趣区的总的连接强度后静息脑网络中各兴趣区的总的连接强度五、讨论五、讨论 (Discussion) 针刺针刺PC6PC6可以有效发挥止呕功效可以有效发挥止呕功效 (PC6, an acupoint relevant for the management of nausea including vestibular-related motion sickness) 最重要的脑区为右侧绒球小结叶的蚓体小节和小舌最重要的脑区为右侧绒球小结叶的蚓体小节和小舌 (The two most important brain areas were the right nodule and right uvula following acupuncture at PC6)q小脑绒球小结叶（特别是蚓体小节以及小舌）是与前庭系统调节功小脑绒球小结叶（特别是蚓体小节以及小舌）是与前庭系统调节功能相关的关键核团能相关的关键核团 (The cerebellar uvula-nodulus receives vestibular projections from primary and secondary vesibular afferents, as well as vestibular climbing fibers)针刺针刺PC6PC6后的静息态脑网络分析后的静息态脑网络分析针刺针刺PC6PC6可能通过对前庭系统功能相关的控制核团来发挥对可能通过对前庭系统功能相关的控制核团来发挥对脑网络的调节作用，进而达到缓解晕吐症状的疗效脑网络的调节作用，进而达到缓解晕吐症状的疗效 ( Acupoint PC6 can modulate the specific brain regions relating to vestibular function, subsequently alleviating the symptoms with motion-related sickness and nausea)PC7PC7临床上主要用于治疗情志紊乱，以及心身失调临床上主要用于治疗情志紊乱，以及心身失调q与与PC6 PC6 同属一条经络同属一条经络 (Along the same line, acupuncture at PC6 and PC7 has been used clinically to treat mental and psychosomatic disorders)最重要的脑区节点是右侧杏仁核和右侧下顶叶最重要的脑区节点是右侧杏仁核和右侧下顶叶 ( The two most important brain areas were exclusively located at the right amygdala and right IPL)q杏仁核是边缘系统的组成部分之一杏仁核是边缘系统的组成部分之一, , 编码、表达负性情绪编码、表达负性情绪 (The amygdala, located in the medial temporal lobe as part of the limbic system, plays a dominant role in the affective encoding)针刺针刺PC7PC7后的静息态脑网络分析后的静息态脑网络分析推测针刺推测针刺PC7 PC7 可以调节以杏仁核为主的静息态脑网络，从可以调节以杏仁核为主的静息态脑网络，从而有助于缓解与压力有关的临床症状而有助于缓解与压力有关的临床症状 ( Acupuncture-related modulation of activity in the amygdala may contribute to stress reduction)GB37GB37的主要功能之一就是治疗眼疾，的主要功能之一就是治疗眼疾，近视眼、白内近视眼、白内障、夜盲症等障、夜盲症等q与与PC6PC6、PC7PC7属两个不同经络属两个不同经络 GB37 (distinct meridian with respect to PC6 and PC7), as its name “brightness” implies, is described as a very effective acupoint influencing multiple vision-related disorders针刺针刺GB37GB37后的静息态脑网络分析后的静息态脑网络分析重要的的脑区主要位于后扣带回和枕中回重要的的脑区主要位于后扣带回和枕中回 （The two more important regions following acupuncture at GB37 were located in the PCC and middle occipital gyrus）q后扣带回作为视觉皮层的组成部分，与视觉空间功能有关后扣带回作为视觉皮层的组成部分，与视觉空间功能有关 (The PCC, as part of the visual cortex is associated with visuospatial functions)q枕叶在视认知系统中发挥重要管理作用枕叶在视认知系统中发挥重要管理作用 (The occipital lobe mainly supports the vision-related processing)该发现与该发现与GB37GB37主要用于眼部疾病治疗的作用相吻合主要用于眼部疾病治疗的作用相吻合 六、结论六、结论 (Conclusion)再次验证了针刺具有持续效应的假说再次验证了针刺具有持续效应的假说 (There exists time-sustainability after the stimulus being terminated)揭示了针刺不同穴位后静息态脑网络中，以特定脑区的调节揭示了针刺不同穴位后静息态脑网络中，以特定脑区的调节方式来发挥针刺的特定疗效方式来发挥针刺的特定疗效 (Specific regions in the brain netwoks during post-stimulation state may mediate the specific effects of acupuncture)针刺不同穴位可选择性引发不同持续性效应的调节作用机针刺不同穴位可选择性引发不同持续性效应的调节作用机制制, ,为针刺疗效的穴位特异性提供了客观证据为针刺疗效的穴位特异性提供了客观证据 (Different modulatory brain networks during post-stimulation state may support the point specificity of acupuncture)致致 谢谢本研究是在我的导师首都医科大学宣武医院李坤成教授和中国科学院自动化研究所尊敬的田捷教授的精心指导下完成的，他们严谨的工作作风、缜密的思维逻辑给予了我很多启发感谢中科院自动化所的白丽君博士和冯圆圆博士在数据处理分析方面给予的指导和帮助