腦卒中患者手運(yùn)動功能康復(fù)的功能磁共振成像研究進(jìn)展

付楨，胡楠，潘翠環(huán)，繆萍，于瑞，陳艷

腦卒中患者手運(yùn)動功能康復(fù)的功能磁共振成像研究進(jìn)展

付楨1,2，胡楠1，潘翠環(huán)1，繆萍1，于瑞1，陳艷1

[摘要]功能磁共振成像(fMRI)是一項(xiàng)結(jié)合功能、解剖、影像，能實(shí)時、動態(tài)、無創(chuàng)評價(jià)腦功能的成像技術(shù)。本文總結(jié)正常人與腦卒中患者手運(yùn)動時腦fMRI特征，并從fMRI揭示腦卒中后神經(jīng)可塑，評估康復(fù)療效、預(yù)后等方面介紹fMRI在腦卒中患者手運(yùn)動功能康復(fù)中的研究進(jìn)展，對目前fMRI在康復(fù)評估方面所面臨的難題及其未來研究方向進(jìn)行討論。

[關(guān)鍵詞]功能磁共振成像；腦卒中；手；運(yùn)動功能；康復(fù)；綜述

[本文著錄格式]付楨，胡楠，潘翠環(huán)，等.腦卒中患者手運(yùn)動功能康復(fù)的功能磁共振成像研究進(jìn)展[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐, 2015, 21(11): 1277-1281.

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1　功能磁共振成像

功能磁共振成像(functional magneticresonanceimaging, fMRI)是一項(xiàng)結(jié)合功能、影像、解剖的腦成像新技術(shù)[1]。廣義的fMRI包括血氧水平依賴的功能磁共振成像(bold oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)、彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)、灌注加權(quán)成像(perfusion weighted imaging, DWI)、磁共振波譜成像(magnetic resonancespectroscopy, MRS)[2]等；狹義的fMRI是指BOLD-fMRI，它通過測量局部血流變化及脫氧血紅蛋白含量，得到局部功能區(qū)激活等信號，反映神經(jīng)元代謝帶來的腦血流改變[2]，現(xiàn)多用于研究腦的功能狀態(tài)。

fMRI具有較高的時間分辨率和空間分辨率[3]，能夠在無創(chuàng)情況下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時、可重復(fù)的動態(tài)觀察[1,4]，具有很好的臨床應(yīng)用前景。fMRI是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的重要手段，已在神經(jīng)生理學(xué)，腦腫瘤手術(shù)的定位，腦部疾病的診斷[5]、發(fā)病機(jī)制、功能評估、預(yù)后等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]，其中使用fMRI研究腦卒中患者的功能恢復(fù)是其熱點(diǎn)之一。

約85%腦卒中患者有上肢功能損害[7]，手功能的恢復(fù)較慢，康復(fù)治療效果不佳[8]。手承擔(dān)著精細(xì)、復(fù)雜的上肢運(yùn)動，手功能受損嚴(yán)重影響患者的情緒和生活質(zhì)量，研究手運(yùn)動功能恢復(fù)十分重要。

當(dāng)前常用的手運(yùn)動功能評估方法有Fugl-Meyer評定量表中的上肢部分(Fugl-Meyer Assessment, FMA)、Wolf運(yùn)動功能測試(Wolf's Motor Function Test, WMFT)、組塊測試(Box & Block Text, BBT)、九孔柱測試(nine-holepeg test, NHPT)、Carroll手功能評定(Upper Extremity Function Test, UEFT)等[9-11]。這些評估方法僅能評估手的功能狀態(tài)，要從中樞水平研究腦卒中后手運(yùn)動功能的恢復(fù)機(jī)制，評價(jià)康復(fù)療效，判斷預(yù)后，還需依靠fMRI。

大腦皮層中支配手功能的面積明顯較其他區(qū)域大，且手的運(yùn)動可以在狹窄的磁共振檢查空間中實(shí)現(xiàn)，便于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[2]。綜合上述因素，手運(yùn)動在當(dāng)前fMRI研究中最為普遍。

在腦卒中患者手運(yùn)動功能的fMRI研究中，常為受試者設(shè)計(jì)不同的手運(yùn)動任務(wù)，常用測量指標(biāo)包括感興趣區(qū)(region of interest, ROI)的激活位置、形態(tài)、范圍及出現(xiàn)頻率[12-13]等非定量指標(biāo)；ROI的激活體積以及由其衍生出的偏側(cè)化指數(shù)(laterality index, LI)[14]、時間-信號強(qiáng)度曲線[3]等定量指標(biāo)。而fMRI的結(jié)果受手運(yùn)動的復(fù)雜程度、頻率、強(qiáng)度，參與研究者的年齡、優(yōu)勢手等多種因素影響[1]，當(dāng)前的研究主要針對受試者完成了哪些刺激任務(wù)，激活了哪些區(qū)域，測量了哪些指標(biāo)，驗(yàn)證了哪些結(jié)論來探索手運(yùn)動的中樞機(jī)制。

2　健康人手運(yùn)動的fMRI表現(xiàn)

人的隨意運(yùn)動包括運(yùn)動準(zhǔn)備、運(yùn)動執(zhí)行，分別受初級運(yùn)動區(qū)和次級運(yùn)動區(qū)支配[15]。健康人手運(yùn)動的準(zhǔn)備中樞位于初級運(yùn)動區(qū)(primary motor cortex, M1)，即中央前回(Boadman 4區(qū))，在矢狀面呈“Ω”形，橫斷面呈“W”形，又稱手結(jié)[16-17]。執(zhí)行中樞為次級運(yùn)動區(qū)，包括輔助運(yùn)動區(qū)(supplementary motor area, SMA)、輔助運(yùn)動前區(qū)、運(yùn)動前區(qū)(pre- motor cortex, PMC)、扣帶回運(yùn)動區(qū)(cingulatemotor area, CMA)、頂葉區(qū)(parietal cortex, PC)、小腦[15,18]等，這些區(qū)域主要參與復(fù)雜運(yùn)動的執(zhí)行，是對M1區(qū)的補(bǔ)充[19]。

簡單運(yùn)動(如對指運(yùn)動)時，雙側(cè)M1區(qū)均被激活，以對側(cè)激活為主[6,20-22]，還包括雙側(cè)SMA和同側(cè)小腦激活[20,23]。隨著運(yùn)動難度加大，參與運(yùn)動的區(qū)域增多[24-25]，雙側(cè)感覺運(yùn)動區(qū)(primary sensorimotor cortex, SM1)也被激活，以對側(cè)激活為主；此外，雙側(cè)SMA、PMC，對側(cè)頂上小葉，同側(cè)小腦也有激活[20-21]，可能與記憶、手協(xié)調(diào)等有關(guān)。想象運(yùn)動時，主要為SMA、PMC激活[26]，SM1的激活小于簡單運(yùn)動和隨意運(yùn)動，且表現(xiàn)為雙側(cè)激活。此外還有雙側(cè)小腦、頂葉功能的激活，表明這些腦區(qū)與高級神經(jīng)活動關(guān)系密切[20]。主動運(yùn)動與被動運(yùn)動所激活的腦區(qū)一致[13,27]。

腦的激活并不對稱[28]。雖然上述手的運(yùn)動均會激活雙側(cè)腦，但以對側(cè)激活為主[22]。右利手者，左手簡單運(yùn)動時的左腦激活體積大于右手運(yùn)動時的右腦激活體積；左利手者，左右手運(yùn)動時對應(yīng)的同側(cè)腦的激活體積無差異[29]。

3　腦卒中患者手運(yùn)動的fMRI表現(xiàn)

由于腦卒中患者的基礎(chǔ)情況，卒中類型，受損部位、大小，治療方案等不同，手功能異常表現(xiàn)多樣，手運(yùn)動時fMRI也呈多樣性改變。

腦卒中后運(yùn)動功能恢復(fù)過程實(shí)際上是大腦功能重塑的過程。腦可塑性的微觀機(jī)制包括損傷部位的樹突發(fā)芽、軸突再生、細(xì)胞遷移[2]；宏觀機(jī)制為次級運(yùn)動區(qū)的代償、損傷周圍區(qū)域的重構(gòu)、病灶對側(cè)至病灶側(cè)半球的同側(cè)運(yùn)動通路建立、損傷皮質(zhì)脊髓束的恢復(fù)[30]，其中皮層水平的代償表現(xiàn)為周圍皮層重構(gòu)[31]，新的皮層間連接模式形成，包括代償區(qū)或之前并無直接聯(lián)系的區(qū)域間新連接模式形成[2]。在fMRI上可有特征性表現(xiàn)。

腦卒中患者手運(yùn)動(全手抓握或手指運(yùn)動)時，fMRI通常的改變?yōu)椋孩俅渭夁\(yùn)動區(qū)的過度激活；②初級運(yùn)動區(qū)和次級運(yùn)動區(qū)中代表軀體的分布改變[32]。腦卒中急性期，多為雙側(cè)腦廣泛激活，隨后以同側(cè)(未損傷側(cè))腦區(qū)激活為主，最終恢復(fù)至對側(cè)(病灶側(cè))腦區(qū)激活為主[13]。

Ward等發(fā)現(xiàn)，手運(yùn)動功能障礙越重的腦卒中患者，手握拳時對側(cè)M1、雙側(cè)次級運(yùn)動區(qū)(如PM、SMA，CMA)的激活越多[33]。隨后Ward等又結(jié)合經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動功能越差的患者，皮質(zhì)脊髓束損傷越嚴(yán)重，手握拳時次級運(yùn)動區(qū)的募集越大，次級運(yùn)動區(qū)支配的運(yùn)動功能越多[34]。這反映了皮質(zhì)間的代償功能。

正常人雙側(cè)大腦半球受胼胝體介導(dǎo)的相互抑制作用共同支配運(yùn)動，且以對側(cè)支配為主。腦卒中后這種抑制作用減弱，同側(cè)運(yùn)動通路被易化[35]。目前已有研究通過TMS和fMRI觀察到，患者PMC受到同側(cè)SM1的易化[36]和對側(cè)M1的抑制[37-38]，并通過抑制對側(cè)M1區(qū)的興奮暫時提高運(yùn)動功能[39-41]。這些研究驗(yàn)證新通路的形成。但目前同側(cè)運(yùn)動通路是否有利于患者功能恢復(fù)還存在爭議[42-43]，抑制同側(cè)M1區(qū)提高運(yùn)動功能的方法是否適用于所有類型的腦卒中患者還有待探索[44]。

fMRI結(jié)合MRI結(jié)構(gòu)相觀察到慢性腦卒中患者病灶側(cè)SM1的激活增加和皮質(zhì)增厚[45]，結(jié)合DTI發(fā)現(xiàn)全腦白質(zhì)的完整性增加[46]。使用靜息態(tài)fMRI發(fā)現(xiàn)腦各功能區(qū)間的聯(lián)系發(fā)生變化，運(yùn)動執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)生適應(yīng)性重構(gòu)[47]。

通過fMRI觀察到的變化和功能究竟存在怎樣的關(guān)系，還需結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練過程中患者的功能變化來縱向觀察。

4　fMRI在腦卒中患者手運(yùn)動功能康復(fù)中的應(yīng)用

康復(fù)的目標(biāo)是促進(jìn)功能恢復(fù)。大腦功能區(qū)的激活模式能夠反映運(yùn)動功能變化[48]。

PMC發(fā)出網(wǎng)狀脊髓束[49]，支配近端肢體的運(yùn)動[50-52]，在腦卒中后手運(yùn)動功能的恢復(fù)中起到重要作用。

在皮層間的重塑上，PMC可代償M1的運(yùn)動控制功能。正常人的肌力受M1區(qū)和內(nèi)側(cè)運(yùn)動區(qū)支配[53]，皮質(zhì)脊髓束受損嚴(yán)重的患者，肌力差，協(xié)同運(yùn)動明顯，病灶側(cè)PMC激活增加[52,54]，并發(fā)揮類似M1的運(yùn)動輸出作用，進(jìn)行新的運(yùn)動控制。隨著患者握力增加，PMC的激活增強(qiáng)[55]。

在半球間的重塑上，PMC也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。靜息狀態(tài)下，功能較好的患者同側(cè)PMC受對側(cè)PMC的抑制較大；功能障礙嚴(yán)重的患者，抑制作用減弱或興奮作用增強(qiáng)，同側(cè)運(yùn)動通路更顯著[36]。急性腦卒中患者患手運(yùn)動功能越好，患手做被動對指運(yùn)動時LI越大，即以對側(cè)腦激活為主；健手被動對指運(yùn)動的腦激活情況與健康人無差別[56]。

其他次級運(yùn)動區(qū)，如SMA、CMA也參與皮質(zhì)脊髓束的組成，在運(yùn)動恢復(fù)中起重要作用。小腦參與運(yùn)動的學(xué)習(xí)，同側(cè)小腦的激活體積增加也與手運(yùn)動功能的恢復(fù)密切相關(guān)[18]。

最近興起的使用靜息態(tài)fMRI對腦各區(qū)間聯(lián)系的研究認(rèn)為，腦卒中后，功能區(qū)之間的功能聯(lián)系發(fā)生改變，聯(lián)系特征隨時間的變化而變化，且與患者功能相關(guān)[47,57]。但何種聯(lián)系參數(shù)對應(yīng)何種特征性功能改變還有待進(jìn)一步明確。

研究大腦功能可塑性能更有效地指導(dǎo)康復(fù)治療方案的設(shè)計(jì)。只有特定任務(wù)訓(xùn)練可促進(jìn)有利的神經(jīng)功能重塑[48]。目前已有大量研究，通過觀察訓(xùn)練前后fMRI的變化，評價(jià)康復(fù)療效[10-11,58-60]。

Carey等在對腦卒中患者進(jìn)行強(qiáng)化手指康復(fù)訓(xùn)練后，患者手指功能得到改善；患手對指運(yùn)動時，由同側(cè)SMC、M1、初級感覺皮質(zhì)(primary sensory cortex, S1)和PMC為主的激活模式，轉(zhuǎn)化為以對側(cè)激活為主[58]。胡昔權(quán)等觀察到，經(jīng)過4周康復(fù)訓(xùn)練后，治療組患手運(yùn)動功能增加；患側(cè)腕關(guān)節(jié)在被動屈伸運(yùn)動時，對側(cè)M1區(qū)較治療前激活體積更大、強(qiáng)度更高，而未經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練的對照組功能改變和中樞改變均不明顯[59]。

畢勝等觀察到，患者在接受2周強(qiáng)制性使用運(yùn)動療法后，患側(cè)上肢功能得到改善；患手對指運(yùn)動時，雙側(cè)大腦較訓(xùn)練前激活泛化；健手運(yùn)動時，雙側(cè)腦較訓(xùn)練前激活面積減??；治療結(jié)束后2周，患手的運(yùn)動功能未見下降，而患手運(yùn)動時的腦激活區(qū)范圍減小，健手恢復(fù)至治療前狀態(tài)[10]。這說明腦卒中患者功能重構(gòu)是一個動態(tài)變化的過程[61]，這種變化隨著刺激的變化而變化，與運(yùn)動功能不一定平行，且為一過性改變[10]。進(jìn)一步研究需要增加更多定量數(shù)據(jù)來反映功能重構(gòu)的變化情況。

Caria等發(fā)現(xiàn)，行腦機(jī)接口(brain-computer interfaces, BCI)訓(xùn)練后，腦卒中患者腦激活范圍縮小，且出現(xiàn)更多的次級運(yùn)動區(qū)激活[60]；劉小燮觀察到腦卒中患者行BCI訓(xùn)練后，腦功能區(qū)激活范圍擴(kuò)大[11]。上述兩個研究中，患者上肢功能均有提高。這說明參與運(yùn)動的腦區(qū)大小與功能恢復(fù)的關(guān)系尚不明確，但可以肯定腦卒中后的神經(jīng)重塑是一個多樣的過程，尚沒有哪種激活模式可完整地預(yù)測患者功能[61]；更趨于正常的激活模式，運(yùn)動功能恢復(fù)更佳[62]。

能否通過fMRI來預(yù)測腦卒中患者手運(yùn)動功能預(yù)后是臨床常遇到的問題。理論上，fMRI可實(shí)時反映腦功能狀態(tài)，因而可以預(yù)測腦卒中患者的預(yù)后，而實(shí)際應(yīng)用中卻遇到很多問題。這些問題主要包括[2,48]正常腦的復(fù)雜性、腦激活模式的復(fù)雜性、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的多樣性對結(jié)果的影響。

有研究顯示，發(fā)病時皮層激活程度代表幸存皮層投入運(yùn)動的情況，發(fā)病時運(yùn)動皮層激活減弱與治療后皮層激活增加相關(guān)，因此發(fā)病時的fMRI可用于預(yù)測患者的臨床轉(zhuǎn)歸[63]。特定激活模式可預(yù)測3個月內(nèi)的臨床變化[64-65]。但也有研究認(rèn)為，起始的LI不能預(yù)測腦卒中患者的功能狀態(tài)，而激活模式的變化能力可預(yù)測卒中后功能[48]。

可以肯定的是，僅僅使用fMRI來預(yù)測腦卒中患者手功能的預(yù)后是不夠的，還需結(jié)合MRI結(jié)構(gòu)相、DTI、正電子發(fā)射斷層(PET)、TMS等其他腦成像技術(shù)[2]或者腦電圖[66-67]，結(jié)合臨床指標(biāo)及患者情況，選擇不同時間點(diǎn)，綜合評估患者預(yù)后。

5　展望

隨著腦卒中發(fā)病人群的年輕化、患病率的上升和死亡率的下降[68-69]，腦卒中康復(fù)越來越受重視。手功能恢復(fù)較身體其他部位慢且困難[8]，是目前腦卒中康復(fù)所面臨的一大難題。針對腦卒中后手功能的康復(fù)手段較多[70]，但無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[71]。fMRI為腦卒中患者手功能康復(fù)提供了新思路，可揭示腦卒中患者功能變化規(guī)律，指導(dǎo)康復(fù)訓(xùn)練。

隨著研究的進(jìn)展，有可能通過fMRI對腦卒中患者進(jìn)行更為全面評估和相對準(zhǔn)確的預(yù)后判斷。但由于人腦的復(fù)雜性、fMRI重復(fù)性和信度未證實(shí)、運(yùn)動形式受限，使得當(dāng)前腦卒中手運(yùn)動功能的fMRI特征多種多樣。

未來關(guān)于fMRI與手運(yùn)動康復(fù)的研究應(yīng)嚴(yán)格控制干擾因素，設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān)的刺激模式，盡量選擇敏感、定量、信效度高的評估指標(biāo)[47]，并結(jié)合多種腦成像技術(shù)以及臨床指標(biāo)，共同揭示卒中后手功能的康復(fù)機(jī)制。

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·綜述·

作者單位：1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，廣東廣州市510260；2.廣州醫(yī)科大學(xué)康復(fù)治療學(xué)系，廣東廣州市511436。作者簡介：付楨(1990-)，男，漢族，河南洛陽市人，碩士研究生，主要研究方向：腦卒中后的手功能康復(fù)。通訊作者：潘翠環(huán)，女，教授、主任醫(yī)師。E-mail: pancuihuan@126.com。

Advanceof Functional MagneticResonanceImagingin Motor Functionof Handin Patientswith Stroke(review)

FU Zhen1,2, HU Nan1, PANCui-huan1, MIAOPing1, YU Rui1, CHENYan1
1. The Rehabilitation Department, Second Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou, Guangdong 510260, China; 2. Department of Rehabilitation, Guangzhou Medical University, Guangzhou, Guangdong 511436, China

Abstract:Functional magnetic resonance imaging (fMRI), a newly developing technique, contains function, anatomy and image, which makesthereal-time, dynamic and non-invasivemeasurement of thefunctional brain imaging availability. Thispaper summarized the characteristics of fMRI in health and stroke populations, introduced the advances of fMRI in neuroplasticity, rehabilitation assessment and prognosis in hand movement dysfunction in patients with stroke, and discussed the difficulty fMRI faced in rehabilitation assessment and thefurther researches.

Keywords:functional magneticresonanceimaging; stroke; hand; motor function; rehabilitation; review

(收稿日期：2015-08-06修回日期：2015-10-12)

基金項(xiàng)目：2014年廣東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9771.2015.11.009

[中圖分類號]R743.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-9771(2015)11-1277-05