针刺电信息的神经编码特性

1、针刺电信息的神经编码特性         09-08-14 11:37:00     编辑：studa20                      作者：周涛, 郭义, 郭永明, 陈泽林【关键词】  针刺; 信号传导; 神经编码针刺作用可产生两类信息，即化学

2、信息和电信息。化学信息是通过一些化学物质(如组织胺、Ca2+等)来传递的信息，它的作用通常具有弥散、缓慢和持久的特点。针刺效应的发挥，还依赖于机体神经内分泌系统结构和功能的完整与完善，在这一过程中，针刺刺激转换成相应的神经冲动，即针刺电信息。针刺电信息引发了相应节段内神经递质和生物活性物质的分泌与释放，后者通过靶组织细胞发生一系列生物效应，从而在机体产生相应的针刺效应。近年来针刺以及随之产生的电信息逐渐成为研究热点。1  针刺效应与神经电信息1.1  穴位感受装置在针刺电信息生成中的作用  针感的产生和分布与腧穴局部的感受器关系密切。包括游离神经末梢、肌梭、环层小

3、体、克氏终球及关节囊感觉器等在内的多种感受器，是针感形成的物质基础。赵宴等1从猫的脊神经背根分离神经纤维细束，发现了内膝眼穴位针感感受器是以慢适应深部感受器为主，并揭示了手法针刺时针感感受器的信息编码规律。董泉声等2，3应用电生理学的方法，发现产生手针感的穴位物质基础主要是深部痛觉感受器，产生电针感的穴位物质基础主要是深部痛觉感受器和皮肤痛觉感受器。    穴位是针刺信息产生的起始部位，针刺穴位产生的信息可分为原发信息(初级信息)和继发信息(次级信息)两类。穴位原发信息与针刺穴位的即刻效应有关，它的产生主要是由于外周神经末梢或各种针感感受器的激活而形成的发生器电位

4、和各种类型编码的传入冲动，其信息编码特点与针刺刺激的种类及穴位的结构和部位有关，这种信息可迅速通过神经反射发挥效应。继发信息与针刺的后作用以及脏腑功能的长时程调节效应密切相关，它的产生主要是在穴位受刺激后，由其局部各种组织细胞、血管、神经等所产生的化学物质引起的，这种信息产生较慢、持续时间较长。继发信息可在穴位周围扩散并发生易化效应，表现为沿经脉线跨越几个皮节的跨节段激活反应，在临床上表现为循经感传现象4。1.2  针刺电信息传递的外周传入神经纤维谱  根据穴位感受装置的形态学研究，多数学者5，6认为穴位针刺效应的主要传入通路是支配穴位的躯体感觉神经，还可能有部分交感神经的

5、传入成分也参与了针刺信息的传递。    早期的研究认为针刺镇痛时，传递针刺信息的外周传入纤维主要是中等粗细的、类(A)纤维，这些纤维向中枢传入并对类纤维引起的中枢神经系统活动具有抑制或调制作用。加强粗纤维活动和抑制细纤维活动的措施可以显著提高镇痛效果7。但近年来通过观察不同强度的电针镇痛效应，发现低强度电针是以其非伤害性刺激成分，主要兴奋类(A)、类(A)传入纤维，通过脊髓节段痛整合作用实现镇痛，镇痛效应局限于穴区附近或同一神经节段所支配的范围内，并表现出穴位相对的特异性(即不同穴位或非穴点之间镇痛程度的差异性)；而高强度电针以其伤害性刺激成分，除兴奋类和类纤维外

6、，主要兴奋类(A)，特别是类(C)传入纤维，激活脑干中缝大核(nucleus raphe magnus, NRM)痛负反馈调节机制，再经下行抑制途径而发挥全身性的强烈镇痛作用，表现出镇痛作用的广泛性8。    李为民等9在分离支配大鼠右侧后三里穴位神经束(坐骨神经分支)后，分别以手针刺激同侧的后三里、三阴交及天枢穴(捻转提插，1 Hz)，记录并分析神经束诱发放电，然后注射神经阻滞药利多卡因封闭右侧后三里穴，观察上述针刺诱发神经放电的变化。结果发现手针刺激后三里穴可诱发明显的神经束放电，而手针刺激三阴交穴和天枢穴则无上述神经放电现象。利多卡因封闭后三里穴后再行手针刺

7、激，则诱发放电消失，表明手针刺激后三里穴可诱发支配穴位的坐骨神经分支特异性神经放电，提示了针刺后三里穴信息可沿该分支传入脊髓。这些研究结果初步阐明了针刺穴位的外周神经效应。对穴位相对特异性与神经支配特点关系的分析，为揭示针刺信息的外周传导规律提供了研究方法和依据。1.3  针刺电信息与伤害性信息在中枢的会聚与整合  电生理学研究表明针刺穴位能够抑制因躯体和内脏疼痛引起的中枢神经系统不同部位的神经元放电活动，为针刺在临床上能够迅速缓解疼痛提供了理论依据。    荣培晶等10采用直结肠扩张作为内脏的伤害性刺激，针刺与直结肠同神经节段支配的同侧和对侧

8、足三里穴位，采用微电极细胞外记录L1L3节段脊髓背角广动力型神经元活动。结果发现内脏伤害性传入能明显激活脊髓背角会聚神经元，而对侧体表机械刺激和足三里穴手针刺激可抑制这种伤害性反应。急性脊髓化实验，针刺对侧足三里穴抑制直结肠扩张反应的效应完全消失。揭示了针刺和内脏伤害性传入信号在脊髓水平发生会聚和相互作用，针刺穴位能够抑制内脏伤害性传入所激活的背角神经元反应，且这种作用需要脊髓上中枢参与。王述菊等11探讨了迷走神经中枢孤束核在针刺足三里穴对胃运动障碍大鼠胃内压影响中的作用。结果表明，针刺足三里穴对胃功能的调节作用以促进胃运动为主，其调节作用与孤束核神经元的放电活动密切相关，且针刺足三里穴引起孤

9、束核相关神经元放电增加，幅度不受抑制胃运动的药物如阿托品、胃复安的影响。叶小丰等12观察了电针大鼠双侧足三里穴对迷走神经放电的影响，揭示了电针足三里穴可以使迷走神经传出纤维放电增强，但对其传入纤维放电活动无影响。张建梁等13以猫胸段具有自发活动的背角神经元的放电频率为指标，观察了胃扩张和电刺激左侧内脏大神经引起的神经元点活动变化以及电针左侧足三里穴和三阴交穴的影响，推断躯体与内脏的信息在脊髓水平汇聚并整合，进而通过改变内脏传出神经的活动达到针刺调整治疗的目的。2  神经元放电与神经编码    针刺刺激转换成相应的神经冲动，即针刺电信息，这一信息沿着一定的

10、外周和中枢路径，传导到脑的高级部位，导致针感的形成。这种电信息以在时间和频率上序列组合的编码形式发挥着对机体功能活动的整合与调控作用。     神经编码是指神经信息在传递和表达时所采用的一系列规则与机制, 对神经编码的认识是研究神经系统功能的基础。神经元编码方式有频率编码、群体编码、时间编码和模式编码等。    神经系统是以离散的动作电位放电序列进行信息的表达和传递的。对于单个神经元，其发放的动作电位的波形和幅度在短时间内是基本一致的，因此早期人们一致认为，信息主要由动作电位发放的频率携带。Adrian于1926年首先提出了神经元放电

11、的频率编码理论。其基本观点是神经元放电序列的编码是以放电频率为依据的，即通过放电频率携带信息。但频率编码理论存在局限性：第一，其信息传输率很低；第二，频率编码难以迅速解码；第三，由于在频率编码理论中神经元只能以放电频率的高低来反映刺激的强弱，从而使其对包含多个参数的刺激进行编码十分困难。因此Abeles于1982年提出了时间编码理论，认为神经元所发放的动作电位串中除了包含频率信息外，神经元放电序列的时间模式中蕴涵着丰富的动态信息。放电活动精确的时间模式以及相关神经元的群体活动时间和空间特性，都在很大程度上对神经信息编码有贡献。同时，神经系统又通过突触连接强度的调节，实现信息存储。Abeles等

12、14采用空间时间放电模式分析法对特定行为下猴的额叶皮层神经元放电模式进行研究，发现在30%60%的情况下有重复模式的存在，有多种空间时间放电模式与行为相关。Richmond等15也证实了模式编码的存在，并指出这种编码不仅具有很高的信息传输率，而且也提高了神经系统对信号的分辨率。Reich等16研究视觉编码时发现，视觉信息被编码在视觉皮层V1区神经元放电的峰峰间期序列(interspike interval, ISI)中，不同的视觉刺激与ISI模式相关，其进一步的工作表明，视觉对比度的相关信息编码在V1区神经元放电串的时间结构中。Furukawa等17研究认为，听觉皮层单个神经元放电的时间模式可

13、以编码声源的定位。2007年，de la Rocha等人发表在Nature的研究18揭示了神经锋放电序列在时间尺度上的相关性随着放电节律增加。同年，Butts等19还研究了视觉系统中神经编码在时间尺度上精确性表达问题。    时间编码假说虽然得到了越来越多实验证据和理论研究的支持，但还没有形成统一而令人信服的理论体系，频率编码仍然是解释神经电活动规律的重要基础。频率编码和时间编码很可能并不是截然对立，而是内在统一的，都是神经系统编码信息的重要方面。结合时间编码和频率编码能更好地表达神经元放电的动态规律。3  混沌理论在神经电活动方面的应用 &#

14、160;  由于神经放电信息是非线性的，因此不能应用传统的统计方法(如方差)来表达其影响的局限性。自从发现混沌现象以来，人们对看似随机的时间编码序列信号有了崭新的认识。研究人员开始用观察到的非线性动力学系统的基本特性，对系统中的不规则行为，寻求用确定混沌作出明确的解释。混沌理论与现实环境之间的最直接联系就是用非线性动力学分析真实系统的时间编码序列。随着混沌理论的发展，混沌理论与时间编码序列分析相结合便产生了前沿学科之一的混沌时间序列分析。    混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，它是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象

15、。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，混沌是无处不在的。现在，以混沌现象为代表的非线性动力学迅速渗透到力学、电子、生物、医学、化学等科学研究和工程应用领域中，形成了混沌时间序列分析的研究方向，逐渐成为诸多领域关注和研究的热点。现在学者们形成了一种共识，即正常的健康的人体结构和节律是混沌的，而缺少变化的周期稳定状态是病态的表现。     混沌时间序列分析方法的步骤大致分为三步。(1)相空间重构是非线性时间序列分析的第一步，也是最重要的一步，延迟时间和嵌入维数为确定相空间重构的两个重要参数。(2)针刺信号时间序列经过相空间重构以后，在此基础上就可以进行混沌特征量的计

16、算来判断是否具有混沌特性。常用的混沌特征定量指标有关联维数D2和Lyapunov(李亚谱诺夫)指数。关联维数是刻画动力系统是否具有混沌特征的定量指标之一。Lyapunov指数定量地描述了相空间中相邻轨道呈指数发散的性质。(3)递归图是非线性时间序列分析的辅助方法，是非线性分析的有效工具，它可以在对时间序列相空间重构并得到嵌入维数和延迟时间的基础上，由散布在一方阵上的点构成，可以用来判定针刺电信号的平稳性。4  针刺电信息信息编码相关的实验研究    赵宴等1从猫的脊神经背根分离神经纤维细束，记录来自内膝关节神经的单位放电，通过关节运动和压迫以区别不同类型

17、的感受器，并针刺感受野观察反应特点。结果发现穴位区的感受器36个，它们均对针刺发生反应，其中慢适应感受器18个(50%），时相型7个(19.4%)，帕氏小体样5个(13.9%)，弱活动型6个(16.7%)，表明内膝眼穴的针感感受器以慢适应型为主。同时观察提插捻转、单纯提插和单纯捻转3种基本针刺手法对19个单位性神经节深部感受器放电的影响，结果表明，每次运针所引起的感受器放电平均数分别是6.98个、4.60个和1.83个，前两种手法之间无明显差异，前两种手法均明显高于第三种，提示针刺手法和传入信息量之间有着明显的相互关系。他们还从放电的瞬间频率图初步分析了针刺引起的传入信息编码形式，提示不同针刺

18、手法产生临床效果的机制不同，并揭示了手法针刺时针感感受器的信息编码规律。    李为民等20分离支配右侧足三里穴区的坐骨神经分支后，分别用提插捻转、单纯提插和单纯捻转(1 Hz)3种基本针刺手法及5、10、15 V和3 Hz不同参数的电针刺激大鼠足三里穴各1 min，对刺激过程及刺激前后神经束诱发放电记录采样各1 min，然后进行单位时间神经放电脉冲计数。结果表明，提插及捻转提插手法的手针刺激大鼠足三里穴可诱发支配该区域的外周神经束放电明显增加，且后者放电现象更为明显；一定强度的电针刺激可产生与手针的机械刺激类似的神经放电效应。这初步揭示了针刺信息的外周传导规律，

19、为针刺手法的量化提供了理论依据。     09-08-14 11:37:00     编辑：studa20张建梁等13采用玻璃微电极细胞外记录的方法，以猫胸段具有自发活动的背角神经元的放电频率为指标，观察了胃扩张和电刺激左侧内脏大神经引起的神经元电活动变化以及电针左侧足三里穴和三阴交穴的影响。结果发现：电针足三里穴能够翻转或拮抗胃扩张引起的反应，电针三阴交穴具有类似功能，但作用较弱，无统计学意义；刺激内脏大神经同时电针足三里穴可见到后者对前者显著的抑制效应。表明躯体与内脏的信息在脊髓水平汇聚并整合，进而通过改变内脏

20、传出神经的活动达到调整治疗的目的，进一步证实了针刺具有双向的调节功能。    Sun等21和Wang等22以针刺足三里测得的脊髓背角电信号时间序列为对象，对提插补法、提插泻法、捻转补法和捻转泻法四种不同手法针刺电信号进行非线性动力学分析，通过递归图确定了不同针刺电信号的平稳性；通过替代数据法确定了信号的非线性特性；通过功率谱、相空间重构与奇异吸引子、最大Lyapunov指数等方法都得出了信号的混沌特性；进一步利用非线性动力学方法对针刺电信号进行混沌分析，发现结合小波理论和信息熵理论对针刺电信号进行特征提取与分类，能有效地将不同手法区分开来。 5  结语&

21、#160;   针刺是一种传统的治疗方法，探索针刺的功能及其作用机制，对临床诊断及研究有重要的指导价值。神经信号编码的机制，是当前神经科学领域中的重要研究内容。本文从频率编码和时间序列两个方面对针刺电信号研究进行了总结。但由于神经元的非线性、耦合的复杂性和随机性以及噪声等因素，人们对神经的系统特性及其工作机制还无法预测与理解，因此对神经动力学进行非线性动力学研究，成为当今研究的热点。相信这些研究将为揭示针刺作用的科学基础做出贡献。【参考文献】  1 Zhao Y, Yuan B, Hou ZL, et al. Receptor of "Neixiyan&

22、quot; point. Ke Xue Tong Bao. 1983; 28(17): 10711074. Chinese.赵宴, 袁斌, 侯宗濂, 等. "内膝眼"穴位的针感感受器. 科学通报. 1983; 28(17): 10711074.2 Dong QS, Wang XQ, Zhang RT, et al. Approach to the substance base of needling sensation caused by manual acupuncture. Sichuan Zhong Yi. 2007; 25(1): 9297. Chinese.董泉声

23、, 汪雪倩, 张荣棠, 等. 从手针感与感觉机能的关系探讨手针感的穴位物质基础. 四川中医. 2007; 25(1): 9297.3 Dong QS, Zhang RT, Dong XM, et al. Approach to the substance base of needling sensation caused by electroacupuncture. Sichuan Zhong Yi. 2007; 25(6): 95101. Chinese.董泉声, 张荣棠, 董新民, 等. 从电针感与感觉机能的关系探讨电针感的穴位物质基础. 四川中医. 2007; 25(6): 95101.

24、4 Zhao Y. Approach to neurobiological mechanisms of acupuncture. Zhen Ci Yan Jiu. 2006; 31(6): 329. Chinese.赵彦. 针刺经络的外周神经生物学机理探讨. 针刺研究. 2006; 31(6): 329.5 Li WM, Wu GC, Hanaoka K, et al. Somatosympathetic reflexes: a useful experimental model for study on acupuncture mechanism. Zhen Ci Yan Jiu. 2001

25、; 26(3): 234235. Chinese with abstract in English.李为民, 吴根诚, 花冈一雄, 等. 躯体交感神经反射:一种可用于研究针刺原理的实验模型. 针刺研究. 2001; 26(3): 234235.6 Liu HJ. Approach to relation between needling sensation response and acupuncture effects. Zhongguo Zhen Jiu. 2002; 22(1): 2730. Chinese with abstract in English.刘红菊. 针感与针刺效应机理探

26、讨. 中国针灸. 2002; 22(1): 2730.7 Lu GW, Liang RZ, Xie JQ, et al. Analysis of peripheral afferent nerve associated with analgesic effect of ST 36 evoked by manual acupuncture. Zhongguo Ke Xue. 1979; 22: 495503. Chinese.吕国蔚, 梁荣照, 谢竟强, 等. “足三里”针刺镇痛效应外周传入神经纤维的分析. 中国科学. 1979; 22: 495503.8 Huang SR. Study on

27、specificity of structure and function of acupoint in acupuncture analgesia. Zhongguo Zhong Yi Yao Xin Xi Za Zhi. 2006; 13(9): 35. Chinese.黄仕荣. 针刺镇痛穴位结构与功能的特异性研究. 中国中医药信息杂志. 2006; 13(9): 35.9 Li WM, Chen YB, Ding GH, et al. Study on nerve discharges of peripheral afferent innervated ST36 evoked by ma

28、nual acupuncture at different acupoints in rats. Shanghai Zhen Jiu Za Zhi. 2008; 27(3): 3942. Chinese with abstract in English.李为民, 陈颖波, 丁光宏, 等. 针刺大鼠不同穴位诱发的后三里区域外周传入神经信号特征研究. 上海针灸杂志. 2008; 27(3): 3942.10 Rong PJ, Zhu B, Huang QF, et al. Acupuncture inhibiting response of spinal dorsal horn neurons i

29、nduced by noxious dilation of rectum and colon. Zhongguo Zhen Jiu. 2005; 25(9): 645650. Chinese with abstract in English.荣培晶, 朱兵, 黄启福, 等. 针刺抑制直结肠伤害性扩张引起的大鼠脊髓背角神经元反应. 中国针灸. 2005; 25(9): 645650.11 Wang SJ, Sun GJ, Du YJ, et al. The action mechanism of nucleus of solitary tract in adjusting gastric mot

30、ion by acupuncture at "Zusanli" poi     09-08-14 11:37:00     编辑：studa20张建梁等13采用玻璃微电极细胞外记录的方法，以猫胸段具有自发活动的背角神经元的放电频率为指标，观察了胃扩张和电刺激左侧内脏大神经引起的神经元电活动变化以及电针左侧足三里穴和三阴交穴的影响。结果发现：电针足三里穴能够翻转或拮抗胃扩张引起的反应，电针三阴交穴具有类似功能，但作用较弱，无统计学意义；刺激内脏大神经同时电针足三里穴可见到后者对前者显著的抑制效应。

31、表明躯体与内脏的信息在脊髓水平汇聚并整合，进而通过改变内脏传出神经的活动达到调整治疗的目的，进一步证实了针刺具有双向的调节功能。    Sun等21和Wang等22以针刺足三里测得的脊髓背角电信号时间序列为对象，对提插补法、提插泻法、捻转补法和捻转泻法四种不同手法针刺电信号进行非线性动力学分析，通过递归图确定了不同针刺电信号的平稳性；通过替代数据法确定了信号的非线性特性；通过功率谱、相空间重构与奇异吸引子、最大Lyapunov指数等方法都得出了信号的混沌特性；进一步利用非线性动力学方法对针刺电信号进行混沌分析，发现结合小波理论和信息熵理论对针刺电信号进行特征提取与

32、分类，能有效地将不同手法区分开来。 5  结语    针刺是一种传统的治疗方法，探索针刺的功能及其作用机制，对临床诊断及研究有重要的指导价值。神经信号编码的机制，是当前神经科学领域中的重要研究内容。本文从频率编码和时间序列两个方面对针刺电信号研究进行了总结。但由于神经元的非线性、耦合的复杂性和随机性以及噪声等因素，人们对神经的系统特性及其工作机制还无法预测与理解，因此对神经动力学进行非线性动力学研究，成为当今研究的热点。相信这些研究将为揭示针刺作用的科学基础做出贡献。【参考文献】  1 Zhao Y, Yuan B, Hou ZL, et al

33、. Receptor of "Neixiyan" point. Ke Xue Tong Bao. 1983; 28(17): 10711074. Chinese.赵宴, 袁斌, 侯宗濂, 等. "内膝眼"穴位的针感感受器. 科学通报. 1983; 28(17): 10711074.2 Dong QS, Wang XQ, Zhang RT, et al. Approach to the substance base of needling sensation caused by manual acupuncture. Sichuan Zhong Yi. 2

34、007; 25(1): 9297. Chinese.董泉声, 汪雪倩, 张荣棠, 等. 从手针感与感觉机能的关系探讨手针感的穴位物质基础. 四川中医. 2007; 25(1): 9297.3 Dong QS, Zhang RT, Dong XM, et al. Approach to the substance base of needling sensation caused by electroacupuncture. Sichuan Zhong Yi. 2007; 25(6): 95101. Chinese.董泉声, 张荣棠, 董新民, 等. 从电针感与感觉机能的关系探讨电针感的穴位物质

35、基础. 四川中医. 2007; 25(6): 95101.4 Zhao Y. Approach to neurobiological mechanisms of acupuncture. Zhen Ci Yan Jiu. 2006; 31(6): 329. Chinese.赵彦. 针刺经络的外周神经生物学机理探讨. 针刺研究. 2006; 31(6): 329.5 Li WM, Wu GC, Hanaoka K, et al. Somatosympathetic reflexes: a useful experimental model for study on acupuncture mec

36、hanism. Zhen Ci Yan Jiu. 2001; 26(3): 234235. Chinese with abstract in English.李为民, 吴根诚, 花冈一雄, 等. 躯体交感神经反射:一种可用于研究针刺原理的实验模型. 针刺研究. 2001; 26(3): 234235.6 Liu HJ. Approach to relation between needling sensation response and acupuncture effects. Zhongguo Zhen Jiu. 2002; 22(1): 2730. Chinese with abstract in English.刘红菊. 针感与针刺效应机理探讨. 中国针灸. 2002; 22(1): 2730.7 Lu GW, Lia