劉陽陽 郭義 郭永明

摘要 針刺手法是影響針刺療效的關(guān)鍵，然而其作用規(guī)律、機制尚不完全清楚。天津中醫(yī)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(guī)律及神經(jīng)電信息機制開展合作研究，構(gòu)建了常見針刺手法的數(shù)學模型，用數(shù)學語言解析了針刺手法操作過程，實現(xiàn)了針刺手法的科學表征;揭示了基于神經(jīng)電信息的針刺手法部分作用規(guī)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(fā)神經(jīng)電信息編碼存在差異，是針刺手法效應(yīng)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(jù)，對針刺手法的傳承、應(yīng)用和發(fā)展具有促進作用。

關(guān)鍵詞 針刺手法;神經(jīng)電信號;非線性動力學;針刺效應(yīng);數(shù)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(yī)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(guān)鍵因素。大量研究表明，應(yīng)用針刺手法可以提高針刺療效[1-2]。然而有調(diào)查顯示，針刺手法在臨床中經(jīng)常被應(yīng)用的僅占44.3%[3]，究其原因，主要是針刺手法作為技術(shù)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(guī)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(guī)律、機制對于闡釋針刺手法的科學內(nèi)涵，提高針刺手法的應(yīng)用水平，促進傳統(tǒng)手針的發(fā)展具有重要意義。

天津中醫(yī)藥大學實驗針灸學研究中心郭義教授團隊致力于傳統(tǒng)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(yī)藥大學中醫(yī)工程研究所楊華元教授團隊合作，系統(tǒng)開展了針刺手法的電信息規(guī)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(guī)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(yī)結(jié)合學會科學技術(shù)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(qū)科技進步獎二等獎等。本文從針刺手法的科學表征、效應(yīng)規(guī)律及神經(jīng)電信息機制3個方面，總結(jié)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(fā)展。

1 針刺手法的科學表征

針刺手法是在實踐經(jīng)驗中總結(jié)出來的操作技術(shù)，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(fā)展。近年來，許多專家研制了各種針刺手法參數(shù)儀，以客觀顯示針刺手法的操作波形[9]，本團隊也在此基礎(chǔ)上開展了相關(guān)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(shù)測定儀，記錄了46名具有5年以上工作經(jīng)驗的針灸學專業(yè)教師或針灸臨床醫(yī)師的4種針刺基本補瀉手法（提插補法、提插瀉法、捻轉(zhuǎn)補法、捻轉(zhuǎn)瀉法）的手法波形，提取其特征參數(shù)，見圖1，構(gòu)建針刺手法參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并利用高斯逼近及核回歸等進行數(shù)據(jù)分析，建立了針刺手法數(shù)學模型，見圖2，用數(shù)學語言客觀表征4種補瀉手法，突破了傳統(tǒng)的以手法操作形式來描述的方式，實現(xiàn)了針刺手法的數(shù)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(nèi)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(yīng)規(guī)律

本團隊構(gòu)建了多模態(tài)、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(yīng)，證明了應(yīng)用手法對針刺效應(yīng)影響顯著，不同手法之間的針刺效應(yīng)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(guān)9個穴位，應(yīng)用傳統(tǒng)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(guān)施以青龍擺尾，睛明、四白守氣不行手法，結(jié)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(huán)血流效應(yīng)表明，采用不同針刺手法（提插補法、提插瀉法、捻轉(zhuǎn)補法、捻轉(zhuǎn)瀉法及平補平瀉）針刺正常人體足三里穴，均可使穴區(qū)局部微循環(huán)血流升高，但各手法之間差異有統(tǒng)計學意義，其中提插補瀉法的效應(yīng)優(yōu)于捻轉(zhuǎn)補瀉法，且補法血流灌注量增加幅度優(yōu)于瀉法，提插補法引起的微循環(huán)血流升高最為明顯[11]。見圖3。

基于胃運動的效應(yīng)規(guī)律表明，4種針刺手法（提插補法、提插瀉法、捻轉(zhuǎn)補法、捻轉(zhuǎn)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(fù)到正常，且補法效應(yīng)有優(yōu)于瀉法效應(yīng)的趨勢[12-13]。此外，我們還分別觀察了不同頻率的捻轉(zhuǎn)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(fù)效應(yīng)，其結(jié)果顯示，不同刺激頻率對胃運動均有一定的促恢復(fù)作用，但差異有統(tǒng)計學意義，其中低、中頻刺激的效應(yīng)優(yōu)于高頻刺激[14-15]。

基于鎮(zhèn)痛的研究以急性胃擴張造成內(nèi)臟痛模型，以胃擴張引起脊髓背角WDR神經(jīng)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(jié)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(chǎn)生了鎮(zhèn)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(zhèn)痛效應(yīng)優(yōu)于低頻手法，這說明對于急性痛，強刺激的鎮(zhèn)痛效應(yīng)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(yīng)差異，通常并不顯著，這說明了針刺手法的調(diào)節(jié)作用在疾病狀態(tài)下更為顯著。且不同疾病狀態(tài)，適宜刺激參數(shù)是不一樣，從現(xiàn)有的研究來看，功能低下狀態(tài)中、低頻刺激效果更優(yōu)，而對于急性痛癥，高頻刺激效果更好。

3 針刺手法的神經(jīng)電信息機制

神經(jīng)系統(tǒng)作為機體的快速響應(yīng)系統(tǒng)，與針刺信息的傳遞和針效的發(fā)揮密切相關(guān)。神經(jīng)元放電是神經(jīng)系統(tǒng)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(jīng)元實現(xiàn)生物電信息的長距離傳播。在神經(jīng)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(jié)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(jié)律中非周期的、不規(guī)則的電活動行為是由于神經(jīng)元的內(nèi)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(xiàn)代理論和方法在生物學研究中的廣泛應(yīng)用，為分析復(fù)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(guī)則的電活動的生物電信號有了全新的理解與認識。神經(jīng)系統(tǒng)電活動的非線性特性賦予了神經(jīng)系統(tǒng)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(jīng)末梢產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)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(fā)揮著對機體功能活動的整合與調(diào)控作用[18]。基于這一思路，我們開展了針刺手法的神經(jīng)電信息機制研究。首先，明確了針刺足三里穴對胃功能調(diào)節(jié)的神經(jīng)傳導通路，然后應(yīng)用不同針刺手法/頻率刺激足三里穴，記錄該神經(jīng)傳導通路上相關(guān)節(jié)點（背根神經(jīng)、脊髓背角、迷走神經(jīng)復(fù)核體、丘腦腹后外側(cè)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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(guī)律和機制。

3.1 針刺手法誘發(fā)的神經(jīng)電信號具有混沌特性 利用關(guān)聯(lián)維數(shù)、Lyapunov指數(shù)和Lempel-Ziv復(fù)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(jīng)電信號復(fù)雜程度，證明了針刺神經(jīng)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(shù)語描述和歸納其電信號的放電節(jié)律形式是適用的。進一步發(fā)現(xiàn)，隨著刺激頻率的增高，針刺引起的神經(jīng)信號復(fù)雜度也逐漸增高;比較捻轉(zhuǎn)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(fù)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(chǎn)生的效應(yīng)可能更顯著，這與穴區(qū)局部微循環(huán)的研究結(jié)果相呼應(yīng)。

3.2 不同手法誘發(fā)的神經(jīng)電信號存在差異 應(yīng)用小波熵對針刺電信號的特征進行提取與分類，結(jié)合單位時間窗放電頻率分析，顯示出不同針刺手法神經(jīng)電信號的差異[25]。見圖7?；诰幋a統(tǒng)計量和非線性測度等量化指標如混沌吸引子、復(fù)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(fā)的針刺神經(jīng)電信號存在差異，且在脊髓背根神經(jīng)、背角神經(jīng)元、丘腦腹后外側(cè)不同神經(jīng)水平都顯示出了差異[12-16]，這可能是針刺手法效應(yīng)差異的機制之一?；诰W(wǎng)絡(luò)模型的研究，發(fā)現(xiàn)不同手法所對應(yīng)的時空編碼形式存在本質(zhì)的差別，尤其是捻轉(zhuǎn)法與提插法的編碼形式差異較大，這種采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)映射的方法分析針刺神經(jīng)電信號的方法，證明了捻轉(zhuǎn)法和提插法2種針刺手法的內(nèi)在特征是不同的。這種差異性體現(xiàn)在神經(jīng)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(fā)的神經(jīng)電信號存在飽和性 基于胃擴張狀態(tài)下不同針刺頻率誘發(fā)的脊髓背角WDR（Wide Dynamic Range，WDR）神經(jīng)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(jīng)系統(tǒng)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(jīng)電信號研究也呈現(xiàn)出類似結(jié)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(jīng)系統(tǒng)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(yīng)可能趨于相似，飽和效應(yīng)產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)間信息交流增加 應(yīng)用利用關(guān)聯(lián)維數(shù)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(fā)現(xiàn)針刺可使大腦電活動復(fù)雜化;采用互信息復(fù)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(fā)現(xiàn)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(guān)聯(lián)維數(shù)越高表明腦電網(wǎng)絡(luò)信息交流的復(fù)雜性越高[28-29]。對EEG信號建立針刺不同階段的腦功能網(wǎng)絡(luò)，將腦部作為一個整體來研究，首次發(fā)現(xiàn)針刺時人腦的小世界網(wǎng)絡(luò)特性加強，說明針刺對腦部有正性調(diào)節(jié)作用[30-31]。

3.5 揭示了針刺手法誘發(fā)神經(jīng)放電的起始動力學機制 從不同針刺頻率誘發(fā)的脊髓背角、脊髓背根神經(jīng)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(jīng)電信號起始動態(tài)參數(shù)，應(yīng)用統(tǒng)計分析方法獲得這些參數(shù)之間的相互關(guān)系，揭示了針刺引起神經(jīng)元的起始動態(tài)特性及編碼規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同針刺頻率誘發(fā)的脊髓背角神經(jīng)元動作電位的閾值電壓與最大上升速率具有特定負相關(guān)關(guān)系[32-34]。在脊髓背角，不同針刺頻率不改變效應(yīng)的神經(jīng)元個數(shù)，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(jīng)而言，不同針刺手法是通過改變神經(jīng)元個數(shù)來進行編碼的，說明不同神經(jīng)節(jié)段，神經(jīng)元對針刺的編碼方式不同。通過數(shù)據(jù)分析證明了不同手法引起的神經(jīng)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(jié)

通過我們的研究工作，首次以數(shù)學的方法研究針刺手法的客觀量化，構(gòu)建了數(shù)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(yīng)用前景上，將針刺手法的數(shù)學模型與針刺手法參數(shù)測定儀結(jié)合，在手法波形可視化基礎(chǔ)上，實時顯示各參數(shù)量化數(shù)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(yīng)用也將發(fā)揮促進作用。

在針刺手法的效應(yīng)研究中，通過多模態(tài)、多平臺明確了不同針刺手法的效應(yīng)特點，揭示了針刺手法的部分作用規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)不同針刺手法的效應(yīng)及疾病狀態(tài)密切相關(guān)，基于疾病狀態(tài)探討不同針刺手法的效應(yīng)規(guī)律，尋找最適宜的針刺手法或者參數(shù)，對于指導臨床應(yīng)用，提高臨床療效具有重要意義。

在神經(jīng)電信息的針刺手法的作用規(guī)律與機制的研究中，我們首次證明了針刺手法引起的神經(jīng)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(fā)神經(jīng)電信息編碼存在差異，這可能是不同針刺手法效應(yīng)差異的機制之一，同時也探討了針刺誘發(fā)神經(jīng)放電的相關(guān)機制，這為從神經(jīng)系統(tǒng)角度研究針刺作用原理提供了新的思路。

從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，仍有一些問題我們尚不能解釋，例如在神經(jīng)通路的不同節(jié)點，針刺手法電信號有著不一樣的變化規(guī)律，這可能與神經(jīng)元內(nèi)在興奮性相關(guān)，或者與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相互作用有關(guān)。因此，進一步鑒定對針刺有響應(yīng)的神經(jīng)元類別、探究信號轉(zhuǎn)導方式及過程，明確不同針刺手法/頻率對神經(jīng)元影響的差異，以及對效應(yīng)指標的影響，都將是我們今后研究的內(nèi)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(yīng)差異的科學機制。

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