隨意運動控制的全腦功能磁共振成像研究

侯莉娟,周立明,宋 爭,于 勇,王 君

隨意運動控制的全腦功能磁共振成像研究

侯莉娟1,周立明2,宋 爭2,于 勇1,王 君2

目的:利用全腦功能磁共振成像(fMRI)技術,對參與上下肢左右側關節(jié)隨意運動的大腦皮層控制區(qū)及皮層下基底神經(jīng)節(jié)核團進行研究,探討不同運動控制區(qū)在隨意運動中的調控機制。方法:采用Siemens公司MAGNETOM Trio 3.0T磁共振成像系統(tǒng),對7名健康右利手志愿者進行左右側踝關節(jié)以及利手、非利手隨意運動時的全腦fMRI掃描。數(shù)據(jù)經(jīng)過頭動校正、空間標準化,高斯平滑等預處理后,通過相關分析分別獲得左右側踝關節(jié)、利手以及非利手隨意運動的腦激活圖,采用SPM軟件對參與隨意運動的腦區(qū)進行解剖定位并對其調控機制進行分析討論。結果:利手運動主要激活對側初級運動區(qū)(M 1),雙側輔助運動區(qū)(SMA)和雙側小腦,各激活區(qū)域中心點激活范圍為3.15～6.68。非利手運動主要激活雙側小腦、SMA以及蒼白球、紋狀體和丘腦等基底神經(jīng)核團,各激活區(qū)域中心點激活范圍為3.30～7.19,參與非利手運動控制的腦區(qū)激活量是利手的2.31倍。左右側踝關節(jié)隨意運動主要激活對側M 1、雙側SMA以及小腦,中心點激活量范圍為3.15～7.41。結論:上下肢的隨意運動主要依賴于大腦皮質和小腦等結構,同時基底神經(jīng)節(jié)也是參與其調控的重要神經(jīng)核團。

運動控制;磁共振成像;大腦;手;踝關節(jié)

隨意運動貫穿于人類日常生活和社會活動的全部過程中,如讀書、寫字、講話、體育運動等。多年來,科學家們在眾多領域對隨意運動及其控制的機制進行了大量研究。應用解剖學、生理學、分子生物學等方法確定了參與動物和人類隨意運動控制的基本解剖結構、生理功能及各結構間的相互聯(lián)系。但由于受到研究條件的限制,對人類隨意運動的發(fā)起、編程以及運動執(zhí)行過程中中樞調控機制還未能進行徹底的闡釋[6]。近30年來,醫(yī)學影像學技術飛速發(fā)展,特別是功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等新技術的涌現(xiàn),將神經(jīng)機制的活體研究進一步深入化,也為運動控制研究提供了一條新的途徑[11,19,22]。隨意運動的中樞控制機制不僅在神經(jīng)科學基礎研究中,在神經(jīng)病學臨床實踐中也有重要的意義。它可以揭示特定的運動功能區(qū);可以針對性地評估運動皮質損傷程度且能準確定位病灶,有利于手術治療和后期恢復性訓練的開展;可以了解如何提高運動能力及中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷與功能關系,研發(fā)新的治療手段[7]。為此,本研究利用fMRI技術,對上下肢左右側關節(jié)隨意運動的運動控制區(qū)進行研究,從利手和非利手的區(qū)別以及皮層及皮層下核團怎樣參與運動調控的角度進行定位觀察與系統(tǒng)分析,進一步探討隨意運動控制的中樞調控機制。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

男性健康志愿者7名,年齡20～25歲,身高176.86± 4.70 cm,體重71.86±5.49 kg。受試者閱讀并簽署“實驗知情同意書”,詳細告知實驗目的和方法。全部受試者為右利手,無肢體運動障礙和神經(jīng)系統(tǒng)疾病,能夠領會并配合完成實驗過程中的各項指令。

1.2 實驗方法

1.2.1 任務設計

任務采用Block組塊設計,包括兩個掃描序列,分別是利手和非利手的握拳運動和左右側踝關節(jié)的背屈運動,左右側交替進行。如圖1所示,每個序列中包含10個20 s任務,之間為20 s休息。第一個序列的任務組塊中包含20次握拳運動;第二個任務組塊中包含20次踝關節(jié)背屈運動,如圖2所示,運動角度為30°,運動頻率為2 Hz,兩組運動各400 s,共800 s。實驗程序采用E-prime軟件呈現(xiàn),由磁共振投射系統(tǒng)投射到頭線圈上方安置的小平面鏡到被試視野中央。

圖1 隨意運動模式組塊設計示意圖(L:左;R:右)Figure 1. Block Design of the Voluntary Movement(L:left;R:right)

圖2 踝關節(jié)背屈運動示意圖Figure 2. Sketch Map of the Ankle Dorsiflexion

1.2.2 掃描參數(shù)

采用Siemens MAGNETOM Trio 3.0T磁共振成像系統(tǒng)(北京師范大學腦成像中心)進行圖像采集。頭正交線圈,受試者實驗時仰臥,頭部加用軟海綿固定于線圈內(nèi)以減少頭部運動。功能像掃描:采用梯度回波平面成像序列,參數(shù)為:TR 2000 ms,TE 30 ms,翻轉角90°,層厚3.6 mm,層間距0.72 mm,層數(shù)33,距陣64×64,視野218× 218 mm2。三維結構像掃描:采用T1-MPRAGE進行三維全腦掃描,層數(shù)=176,層厚1.0 mm,TR1900 ms,TE3.44 ms,翻轉角9°,視野256×256 mm2。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPM 5(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)軟件對fMRI實驗數(shù)據(jù)進行預處理和統(tǒng)計學分析。預處理包括頭動校正、空間標準化和空間平滑處理,高斯平滑(FWHM=8 mm)處理,采用相關分析法計算各個體素(voxel)的信號與實驗任務參考波之間的相關程度,統(tǒng)計結果用偽彩色顯示,并疊加于三維結構像上生成統(tǒng)計參數(shù)圖。

2 實驗結果

2.1 任務響應曲線

圖3 Onset序列卷積血液動力學函數(shù)參考序列(左側踝關節(jié)背屈運動)示意圖Figure 3. Reference Sequence of Onset Convolve Hemo Dynam ics Function(Left ankle dorsiflexion)

圖3是左側踝關節(jié)背屈運動顯示的血液動力學函數(shù)參考序列。實驗的任務組塊2中,進行了左右側踝關節(jié)各5次的背屈運動。數(shù)據(jù)統(tǒng)計中為增加任務相應的一致性,保留第2到第9個任務,即左側踝關節(jié)為第3、5、7、9個任務,右側踝關節(jié)為第2、4、6、8個任務。由圖3可以看出,每個任務中均有較好的血液動力學響應曲線。

2.2 踝關節(jié)隨意運動時的腦激活圖

圖4顯示,左側踝關節(jié)背屈運動時激活的腦區(qū)主要包括雙側小腦,對側額上回、輔助運動區(qū)、扣帶回以及中央旁小葉、中央前回和中央后回等,各激活區(qū)域的中心點激活量范圍為3.15～6.68;右側踝關節(jié)背屈運動時主要激活雙側小腦、輔助運動區(qū),對側中央旁小葉、中央前回、中央后回、額上回等,中心點激活量范圍為3.17～7.41。2.3 利手與非利手隨意運動時的腦激活圖

圖4 踝關節(jié)背屈運動的腦激活圖(A:左踝;B:右踝)Figure 4. Brain activation map of ankle dorsiflexion(A:Left;B:Right)

表1 參與踝關節(jié)背屈運動控制的腦區(qū)報表Table 1. Brain control areas of ankle dorsiflexion

圖5顯示,利手(右手)握拳運動時主要激活雙側小腦,對側額上回、輔助運動區(qū)、中央前回、扣帶回、中央后回以及顳葉等,各激活區(qū)域的中心點激活量范圍為3.15～6.68。非利手(左手)運動激活腦區(qū)主要包括雙側小腦、中央前回、中央后回,對側額上回、頂葉、輔助運動區(qū),以及雙側基底神經(jīng)核團蒼白球、紋狀體和丘腦等,各激活區(qū)域的中心點激活量范圍為3.30～7.19,參與非利手運動控制的腦區(qū)激活量(97.83)為利手(42.26)的2.31倍。

圖5 非利手、利手握拳運動時的腦激活圖(A:左手;B:右手)Figure 5. Brain activation map of dom inant/nondom inant hand’smaking fist(A:Left;B:Right)

表2 參與利手與非利手握拳運動控制的腦區(qū)報表Table 2. Brain control areas when making a fist with dom inant/nondom inant hand

續(xù)表2

3 討論

fMRI是磁共振成像最新應用和發(fā)展的一項技術,它的主要原理在于磁共振信號強弱與血流含氧量有關,通過測量腦功能活動時腦內(nèi)血流含氧量變化,觀測相應部位神經(jīng)元活動的變化,故又稱為血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent,BOLD)功能磁共振成像。BOLD技術由Ogawa等[17]首先提出并驗證,實驗證實當人腦在接受感覺刺激或進行活動時,腦部特定區(qū)域被激活。通過fMRI的應用,我們已經(jīng)能夠對外界不同的聲、光等刺激大腦的功能活動進行實時動態(tài)的觀察。

3.1 上下肢隨意運動的大腦皮質功能定位及左右半球優(yōu)勢

運動皮質功能區(qū)主要包括初級運動區(qū)(p rimary motor areas,M 1)(中央前回和中央旁小葉的前部,4區(qū));輔助運動區(qū)(supplementary motor area,SMA)(大腦皮質內(nèi)側面和背外側面上部,6區(qū))以及屬于5、7、23和24區(qū)的頂后葉皮質和部分扣帶回運動區(qū)[18]。在對大腦皮質功能區(qū)進行定位研究時,可采用上肢手腕屈伸、手指對指、手握拳,或者下肢膝關節(jié)屈伸、踝關節(jié)屈伸等運動激活方式[3,10,12,14]。但由于手部運動激活區(qū)域顯著大于下肢,且下肢運動容易產(chǎn)生頭動干擾信號等原因[5],目前的研究多采用上肢手運動。近年來,腦中風患者數(shù)目急劇增多,且35%的患者出現(xiàn)下肢運動功能受阻現(xiàn)象,所以,對于下肢運動的皮質功能定位在臨床康復指導中有重要的指導意義。本實驗中上下肢隨意運動時,大腦皮層雙側運動區(qū)顯著激活,且以對側激活為主,呈偏側性;上肢手運動的激活區(qū)域(圖5AB第53層紅色激活區(qū))顯著大于下肢踝關節(jié)運動的激活區(qū)域(圖4AB第53層紅色激活區(qū)),這與經(jīng)典的軀體隨意運動調解呈現(xiàn)交叉性支配和精細功能定位支配理論一致[4]。Ehrsson等人采用正電子發(fā)射斷層掃描技術,觀測到上肢手腕和下肢踝關節(jié)屈伸運動時激活的腦區(qū)主要包括M 1、SMA以及扣帶回,右側踝關節(jié)高頻運動時還觀察到雙側丘腦的激活[8],本實驗中下肢運動未觀察到皮層下基底神經(jīng)核團激活,這可能與運動的幅度與不同頻率的刺激有關。另外,從圖3顯示的卷積血液動力學函數(shù)序列可以看出,當肢體運動時相應運動皮層功能區(qū)局部信號強度明顯上升,而當刺激停止時,局部信號明顯下降,說明運動皮質功能區(qū)主要在肢體運動時被激活,即它主要參與肢體的隨意運動控制。

1836年達克斯(Dax)曾指出失語與左半球病變有關,之后Broca根據(jù)其臨床失語病人的研究,認為左半球具有言語機能的優(yōu)勢,且一些復雜的高級機能由左半球主管,所以稱它為優(yōu)勢半球[2]。目前,全球大約有90%的人是用右手執(zhí)行高度技巧性勞動操作,被稱為“右利手”。人在長期勞動和使用工具的過程中,習慣用一只手即右手來進行。本實驗中,利手和非利手完成同樣握拳隨意運動,由于利手經(jīng)過了長期訓練,而非利手相對生疏,進行的運動難度大于利手,即非利手的隨意運動需要更多的神經(jīng)核團參與調節(jié)和控制。有研究發(fā)現(xiàn),由于右腦半球在空間定向和感知上具有一定優(yōu)勢,所以如何通過雙側肢體的均衡訓練充分發(fā)揮右腦的作用,已成為西方體育科學研究中提高體育競賽能力的重要課題[23]。

扣帶回作為高級運動中樞之一,對其結構和功能的研究近年來受到廣泛的關注。研究報告顯示,靈長類扣帶回存在著前后2個與前肢運動有關的領域,分別被稱為前部扣帶回運動區(qū)和后部扣帶回運動區(qū),且前部神經(jīng)元與運動的選擇、準備狀態(tài)、反饋的評價有關,后部神經(jīng)元與以視覺、聽覺或振動覺為始動信號的運動有關[9]。將逆行性標記物質分別注入到猴的大腦皮質初級運動區(qū)、輔助運動區(qū)和前輔助運動區(qū)的前肢運動支配區(qū)域,可見扣帶回存在著投射到這些部位的神經(jīng)元,本實驗中觀察到上下肢運動時均有雙側扣帶回的激活,提示扣帶回也是參與隨意運動控制的重要腦區(qū)。

本實驗中所獲得的腦功能圖像能很好地顯示大腦皮質運動區(qū)的形態(tài)分布,進一步證明fMRI在運動刺激時能觀察到大腦皮質相關區(qū)域的活動,顯示一系列與隨意運動控制有關的大腦結構,包括主運動區(qū)、輔助運動區(qū)、額皮質、扣帶回等。但一些電生理研究結果顯示,當個體變異或疾病發(fā)生時,解剖上的分界與功能的執(zhí)行并不完全一致,所以,對于運動皮質功能區(qū)的定位研究是一項長期需要深入的工作,需要對不同運動模式下腦激活情況進行進一步的觀察與分析,這對神經(jīng)外科治療與康復中運動皮質功能區(qū)的定位有重要的意義。

3.2 小腦在運動控制中的作用

除大腦皮質外,實驗中還觀察到隨意運動顯著激活了雙側小腦。根據(jù)小腦的傳入、傳出纖維聯(lián)系,可分為前庭小腦、脊髓小腦和皮質小腦三個功能區(qū),其中,皮質小腦主要參與隨意運動的設計和程序的編制,它不僅是維持機體平衡的重要器官,更是存貯運動性學習記憶的主要功能腦區(qū)。有研究發(fā)現(xiàn),長時程學習前后小腦激活體積發(fā)生變化,在相同運動頻率條件下,學習后小腦激活體積明顯減少,盡管學習序列在訓練后成績明顯好于對照序列,但兩種序列的激活位置和激活體積幾乎相同。提示小腦參與運動學習過程而不是運動操作本身,訓練導致的小腦激活變化可能與學習有關而與運動操作性質的改變無關[1]。根據(jù)Schmahmann小腦皮質的分類法[20],本實驗中手握拳運動的主要激活區(qū)位于小腦半球偏后外側的區(qū)域,包括Ⅷ,Ⅸ和Ⅹ,說明即使是對于手握拳這樣簡單的隨意運動仍依賴于大腦和小腦多個腦區(qū)的協(xié)同控制,這一結論在臨床實踐中有一定指導價值。在運動系統(tǒng)疾病診斷、治療和康復過程中,不應只考慮皮層的作用而忽視其他腦結構的作用。

3.3 基底神經(jīng)節(jié)在運動調控中的作用

本研究較系統(tǒng)地比較了利手(右手)和非利手(左手)隨意運動的腦結構基礎的差異,結果表明,非利手運動進一步激活了皮層下基底神經(jīng)節(jié)核團,如丘腦、紋狀體、蒼白球等,提示非利手的隨意運動控制不僅需要皮層運動區(qū)的調控,還需要部分皮層下核團的參與。基底神經(jīng)節(jié)是大腦皮層控制下調節(jié)運動功能的一個神經(jīng)核團,具有運動皮質下整合中樞的作用,不僅調節(jié)運動、協(xié)調椎體系功能,同時支持條件反射、空間知覺、注意轉換等較簡單的認知和記憶功能[13],對復雜運動以及不同狀態(tài)下的隨意運動起重要的調控作用[15]。臨床中基底神經(jīng)節(jié)的損傷引起許多例如帕金森、多動癥等運動障礙。Metter等用PET顯像比較了左側半球包括基底節(jié)損傷的慢性失語癥患者隨意運動功能的障礙,其書寫等運動功能減退的同時,左側尾狀核的代謝減少[16]。Singh等發(fā)現(xiàn),右利手者左手運動時,左側大腦半球運動激活較右手運動時的運動激活明顯;而左利手者左手運動時,運動激活無顯著不同[21]。右利手者左手運動引起的同側運動區(qū)激活比右手運動明顯,說明在控制同側手運動過程中左半球比右半球發(fā)揮更大作用。本實驗中利手對皮層下核團的調控依賴性相對較小,即長期的運動訓練可提高神經(jīng)控制效率,所以,在神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙康復訓練中,可針對性采取雙側肢體的重復訓練,開發(fā)右側大腦的潛能,提高功能恢復效率。

4 小結

本研究利用fMRI技術,對參與利手、非利手以及左右側踝關節(jié)隨意運動的大腦運動控制區(qū)進行研究。發(fā)現(xiàn)利手運動主要激活對側M 1區(qū),雙側SMA和雙側小腦,而非利手運動主要激活雙側小腦、M 1區(qū)、SMA以及蒼白球、紋狀體和丘腦等基底神經(jīng)核團。左右側踝關節(jié)隨意運動主要激活對側M 1、雙側SMA以及小腦,即上下肢的隨意運動主要依賴于大腦皮質和小腦等結構,同時,基底神經(jīng)節(jié)也是參與其調控的重要神經(jīng)核團。

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Whole-brain Functional Magnetic Resonance Imaging Analysis of Motor Control in Human Brain

HOU Li-juan1,ZHOU Li-ming2,SONG Zheng2,YU Yong1,WANG Jun2

Objective:To identify the neural co rrelates of voluntary movements of hand and ankle by using the w hole brain functional magnetic resonance imaging technique.Methods:Seven right handed healthy volunteers were scanned at MAGNETOM Trio 3.0 Tesla magnetic resonance imaging scanner(Siemens)w hile perfo rming the visually instructive movement tasks w ith their right and left hands and ankles.Image datasets were spatially normalized according to the standard coordinate,and spatially smoothed w ith isotopic Guassian Kernel.Statistical parametric map s(activation maps)fo r right and left hands and ankles were generated respectively by cross-co rrelation analysis.Results:Dominant hand movement mainly activated contralateral p rimary motor co rtex(M 1),bilateral supp lementary motor area(SMA)and cerebellum,the total activation of the central spots is 3.15～6.68.Non-dominant hand movement mainly activated bilateral SMA,cerebellum and basal ganglion,the total activation of the central spots is 3.30～7.19,and it is 2.31 times of the dominant hand.Bilateral ankle voluntary movements mainly activated bilateral M 1,SMA and cerebellum,the total activation of the central spots is 3.15～7.41.Conclusion:A large set of structures in the cerebral cortex and cerebellum are involved in voluntary movements.A t the same time,the basal ganglion is also the important regulation and control central nucleus during voluntary movement.

motor control;magnetic resonance imaging;brain;hand;ank le

G804.5

A

1000-677X(2010)08-0062-07

2010-06-02;

2010-07-10

國家自然科學基金資助項目(30800267);教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目。

侯莉娟(1979-),女,山西晉中人,講師,博士,研究方向為運動神經(jīng)調控,Tel:(010)58807842,E-mail:houlj@bnu. edu.cn;王君(1975-),女,遼寧沈陽人,博士,研究方向為運動學習和運動康復,Tel:(010)58802060,E-mail:jun_ w ang@bnu.edu.cn。

1.北京師范大學體育與運動學院,北京100875;2.北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室,北京100875 1.Physical Education and Spo rt College,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;2.State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning,Beijing Normal University,Beijing 100875,China.