迷走神經(jīng)作為自主神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和調(diào)控多種生理功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用^[1]。傳統(tǒng)迷走神經(jīng)刺激雖已顯示出較好的治療效果，但由于其侵入性操作限制了臨床普及。

近年來(lái)，經(jīng)皮耳迷走神經(jīng)刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS）因其非侵入性、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注^[2]。島葉屬于突顯網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)整合內(nèi)外感知信號(hào)。內(nèi)側(cè)前額葉皮層（Medial Prefrontal Cortex, MPFC）是默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，參與自我參照和情緒調(diào)節(jié)。二者之間的功能連接對(duì)協(xié)調(diào)體內(nèi)感知與認(rèn)知情緒調(diào)控具有重要意義。目前，神經(jīng)影像學(xué)已初步驗(yàn)證taVNS對(duì)島葉、內(nèi)側(cè)前額葉等腦區(qū)的影響，但其具體調(diào)控機(jī)制尚未明確。

基于此，東南大學(xué)葛盛課題組提出通過(guò)靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)，對(duì)taVNS調(diào)控島葉與MPFC之間功能連接的效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)探索，以期為神經(jīng)疾病的新型非侵入性治療提供理論依據(jù)。

圖1. 文章信息

2024年10月，IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics雜志發(fā)表了東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院葛盛課題組題為《Insula-Medial Prefrontal Cortex Functional Connectivity Modulated by Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation: An fMRI Study》的研究。研究團(tuán)隊(duì)所屬單位包括東南大學(xué)、湖南師范大學(xué)、長(zhǎng)崎大學(xué)及南京醫(yī)科大學(xué)等。

該研究結(jié)果顯示，taVNS顯著減弱了島葉與MPFC間的負(fù)向功能連接，調(diào)控二者功能連接可能反映其對(duì)“內(nèi)感受-認(rèn)知”協(xié)同功能的整合作用，提示其可能通過(guò)改善內(nèi)感受與認(rèn)知情緒調(diào)控之間的平衡發(fā)揮治療作用。這一發(fā)現(xiàn)可能為taVNS在情緒障礙或自主神經(jīng)失調(diào)中的制提供新見(jiàn)解。

該研究共招募32名健康成年志愿者，隨機(jī)分為taVNS組和假刺激組。所有受試者均在刺激前后接受靜息態(tài)fMRI掃描，采集大腦結(jié)構(gòu)及功能數(shù)據(jù)。taVNS組在左耳耳甲區(qū)（迷走神經(jīng)耳支分布區(qū)域^[3]）進(jìn)行30分鐘電刺激，而假刺激組則在耳垂進(jìn)行無(wú)效刺激，以排除非特異性效應(yīng)。具體實(shí)驗(yàn)范式如圖2所示。

圖2. 實(shí)驗(yàn)范式

數(shù)據(jù)預(yù)處理采用CONN工具箱^[4]進(jìn)行，包括切片時(shí)序校正、運(yùn)動(dòng)校正、標(biāo)準(zhǔn)化及空間平滑等步驟，同時(shí)通過(guò)線性回歸消除頭動(dòng)及生理噪聲。接下來(lái)，研究者選取左/右前島葉（LAI / RAI）及MPFC作為感興趣區(qū)域，計(jì)算各區(qū)域之間的平均BOLD信號(hào)相關(guān)性，并通過(guò)Fisher r-to-z轉(zhuǎn)換增強(qiáng)統(tǒng)計(jì)比較的可靠性。

注：Fisher r - z 變換是一種數(shù)學(xué)變換方法，它能把原本可能不服從正態(tài)分布的皮爾遜相關(guān)系數(shù) r，轉(zhuǎn)換為近似服從正態(tài)分布的 z 分?jǐn)?shù)。在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析中，很多方法都要求數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，該變換在涉及相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析里非常重要。例如在研究多個(gè)變量之間的相關(guān)性時(shí)，經(jīng)過(guò)變換后的數(shù)據(jù)能更準(zhǔn)確地進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)、構(gòu)建置信區(qū)間等操作。

結(jié)果如圖3所示，島葉與MPFC之間的抑制性聯(lián)系在兩組刺激前均存在；而在taVNS組中，刺激后這種負(fù)向連接顯著減弱，表明taVNS可使兩區(qū)域之間的信息傳遞趨于平衡。假刺激組則未觀察到類(lèi)似變化，提示該調(diào)控效應(yīng)具有特異性。

圖3. taVNS顯著削弱島葉-內(nèi)側(cè)前額葉之間的負(fù)向功能連接

此外，種子到全腦體素的功能連接分析進(jìn)一步探討了taVNS對(duì)全腦的影響（見(jiàn)圖4）。以島葉作為種子區(qū)域時(shí)，刺激后與MPFC及右中顳回等區(qū)域的功能連接顯著增強(qiáng)；以MPFC作為種子時(shí)，原先與島葉之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系在taVNS后消失，同時(shí)與默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)核心區(qū)域如后扣帶皮層的正向連接亦有所減弱。這些結(jié)果表明，taVNS不僅局部調(diào)控了島葉與MPFC之間的直接連接，還可能通過(guò)重塑全腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)改善內(nèi)感受信息的傳遞與認(rèn)知情緒調(diào)控的協(xié)調(diào)性。

圖4. taVNS對(duì)島葉-內(nèi)側(cè)前額葉網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控作用

該研究明確證明，經(jīng)皮耳迷走神經(jīng)電刺激能夠顯著調(diào)控島葉與內(nèi)側(cè)前額葉皮層之間的功能連接，其主要表現(xiàn)為刺激后兩區(qū)域間負(fù)向連接的減弱。該發(fā)現(xiàn)提示，taVNS可能通過(guò)促進(jìn)內(nèi)感受信號(hào)與高級(jí)認(rèn)知情緒處理的協(xié)同作用，為改善情緒障礙提供新思路。與此同時(shí)，研究還顯示taVNS對(duì)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)等大范圍腦網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)控作用，為理解taVNS神經(jīng)調(diào)控作用的腦網(wǎng)絡(luò)重組機(jī)制提供了新視角?！皪u葉-內(nèi)側(cè)前額葉網(wǎng)絡(luò)”有望成為taVNS療效驗(yàn)證的神經(jīng)標(biāo)志物，助力其在臨床應(yīng)用中的精準(zhǔn)干預(yù)。

未來(lái)研究仍需在更大規(guī)模人群及不同參數(shù)條件下進(jìn)一步驗(yàn)證該效應(yīng)，并探索其在臨床病理狀態(tài)下的具體應(yīng)用潛力。此項(xiàng)研究為taVNS在神經(jīng)疾病治療中的應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑，也為相關(guān)領(lǐng)域的深入探索提供了寶貴實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]   H. R. Berthoud and W. L. Neuhuber, “Functional and chemical anatomy of the afferent vagal system,” Auton. Neurosci. Basic Clin., vol. 85, no. 1–3, pp. 1–17, Dec. 2000, doi: 10.1016/S1566-0702(00)00215-0.

[2]   Y. Wang et al., “Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation: From Concept to Application,” Neurosci. Bull., vol. 37, Dec. 2020, doi: 10.1007/s12264-020-00619-y.

[3]  M. F. Butt, A. Albusoda, A. D. Farmer, and Q. Aziz, “The anatomical basis for transcutaneous auricular vagus nerve stimulation,” J. Anat., vol. 236, no. 4, pp. 588–611, Apr. 2020, doi: 10.1111/joa.13122.

[4]  S. Whitfield-Gabrieli and A. Nieto-Castanon, “Conn: a functional connectivity toolbox for correlated and anticorrelated brain networks,” Brain Connect., vol. 2, no. 3, pp. 125–141, 2012, doi: 10.1089/brain.2012.0073.

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