Changes of human brain activity after complex somatosensory stimulation with acupuncture needles

Abstract

Abstract Introduction: Research on acupuncture mechanism with neural correlates is of great importance and interest. Brain imaging techniques enable the non-invasive exploration of the potential mechanism of acupuncture effects. Method: In order to summarise the current evidence of brain response to acupuncture stimulation a systematic review and meta-analysis was carried out. On this basis, clinical experiments were designed to evaluate the differences in brain activity after standardised needle stimulation at different point locations in healthy volunteers. EEG, event-related fMRI, and resting-state functional connectivity fMRI were used to assess the instant and sustained neural responses after needling the acupuncture point ST36 and two control points (CP1 same dermatome, CP2 different dermatome). Different analyses were performed to investigate the EEG background rhythm, fMRI BOLD response, seed-based functional connectivity, as well as centrality changes. Results: The meta-analysis showed, besides notable heterogeneity of acupuncture and fMRI studies, that acupuncture seems to modulate activity within specific brain areas: including sensorimotor cortices, limbic regions, and cerebellum. The EEG study showed an increased mu rhythm power after needling stimulation on ST36 compared to CP1 or CP2, with no relevant differences between the two control points. The fMRI BOLD analysis found more pronounced insula and secondary somatosensory cortex (S2) activation, as well as precuneus deactivation during ST36 stimulation. The S2 seed-based functional connectivity analysis revealed increased connectivity to right precuneus when comparing ST36 to both control points; albeit in different regions. Higher centrality in parahippocampal gyrus and middle temporal gyrus were identified after ST36 stimulation in comparison to the two control points. Conclusion: These experimental findings indicate that compared to stimulation on non-acupuncture points, stimulation on the acupuncture point may modulate differently within several brain networks, such as somatosensory, saliency processing and default mode network. This might hint to a potential mechanism of pain perception and modulation due to acupuncture stimulation. The experimental results are consistent with the findings of the systematic review and meta-analysis. Brain imaging techniques and analyses seem to be valuable for future studies investigating the neural mechanism of acupuncture.

Abstrakt Einleitung: Die Erforschung der Akupunktur-Wirkungsweise mit neuronalen Korrelaten ist von großer Bedeutung und Interesse. Brain Imaging- Techniken ermöglichen die nicht-invasive Erforschung der potenziellen Mechanismen der Akupunktur-Wirkung. Methodik: Um aktuelle Befunde über die Wirkung von Akupunktur-Stimulation auf Hirnaktivitäten zu erfassen, wurde eine systematische Übersichtsarbeit und Meta-Analyse durchgeführt. Auf dieser Basis wurden klinische Experimente entwickelt, um den Unterschied zwischen standardisierter Nadelstimulation in verschiedenen Punkten auf die Hirnaktivität bei gesunden Probanden zu untersuchen. EEG, ereigniskorreliertes fMRT und Resting-State fMRT wurden verwendet, um die kurzfristigen und anhaltenden neuronalen Reaktionen nach dem Nadeln des Akupunkturpunktes ST36 und zweier Kontrollpunkte (CP1-in dem gleichen Dermatom, CP2-in einem anderen Dermatom) zu untersuchen. Unterschiedliche Analysen wurden durchgeführt, um den EEG-Hintergrundrhythmus, die fMRI-BOLD-Reaktion, die Resting-State funktionelle Konnektivität zu untersuchen. Ergebnisse: Die Meta-Analyse wies, trotz merklicher Heterogenität der Akupunktur-fMRT-Studien, darauf hin, dass Akupunktur die Aktivität innerhalb bestimmter Hirnareale moduliert: darunter sensomotorische Kortexe, limbische Regionen und Zerebellum. Die EEG-Studie zeigte eine erhöhte Aktivität des Hintergrundrhythmuses nach Nadel-Stimulation von ST36 im Vergleich zu CP1 oder CP2, aber nicht zwischen den beiden Kontrollpunkten. Die fMRT-BOLD-Analyse ergab eine stärkere Aktivierung von Insula und Sekundär-somatosensorischem Kortex (S2) sowie eine Precuneus- Deaktivierung während der ST36-Stimulation. Die Konnektivitätsanalyse ergab eine erhöhte Konnektivität zwischen S2 und dem rechten Precuneus beim Vergleich von ST36 mit beiden Kontrollpunkten; wenn gleich in verschiedenen Arealen des Precuneus. Eine höhere Zentralität im Gyrus parahippocampalis und im mittleren temporalen Gyrus wurde nach ST36-Stimulation im Vergleich zu den beiden Kontrollpunkten identifiziert. Schlussfolgerung: Diese experimentellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass im Vergleich zur Stimulation von non- Akupunkturpunkten, die Stimulation vom Akupunkturpunkt Hirnnetzwerke unterschiedlich moduliert: somatosensorisches Netzwerk, Salienz-Verarbeitung- und Ruhezustandsnetzwerk. Dies könnte auf einen möglichen Mechanismus der Schmerzempfindung und -modulation aufgrund einer Akupunkturstimulation hindeuten. Die experimentellen Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen der systematischen Übersichtsarbeit und Meta-Analyse überein. Brain-Imaging- Techniken und -Analysen scheinen für künftige Studien, die den neuronalen Mechanismus der Akupunktur evaluieren, wertvoll zu sein.