脊髓損傷截癱患者序列對指運動fMRI研究

朱凌，吳光耀，文之，李潔蘭

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）影響腦與脊髓間信息傳遞的上下行通路，導致?lián)p傷平面以下感覺和運動功能缺失，失去聯(lián)系的感覺和運動腦區(qū)仍然完整，但運動信號的輸出無法達到效應器，輸入反饋也無法繼續(xù)[1]。大腦損傷后中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生可塑性改變即功能重組。同樣，SCI后腦功能也可發(fā)生代償性重組，動物實驗研究表明SCI后感覺和運動功能正常的皮質(zhì)代表區(qū)功能有向失去聯(lián)系區(qū)域皮質(zhì)代表區(qū)擴張的趨勢[2]。關于SCI后皮質(zhì)功能發(fā)生代償重組的相關改變，文獻報道的結(jié)果并不一致。有學者采用EEG進行研究，結(jié)果顯示SCI患者M1激活區(qū)向后移位[3]；而有學者采用PET和經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）的方法進行研究，結(jié)果顯示SCI患者M1功能未受影響代表區(qū)激活向去輸出肢體代表區(qū)移位，如截癱患者M1手功能代表區(qū)向軀體及下肢功能代表區(qū)方向移位[4]。功能磁共振成像由于其無創(chuàng)性、無輻射、能有效地將功能與解剖圖像相結(jié)合的優(yōu)點，已廣泛應用于腦科學研究及臨床相關領域[5]，本研究基于血氧水平依賴功能磁共振成像（BOLD－fMRI）分析脊髓損傷后截癱患者在序列對指運動過程中的腦激活模式，探討SCI后腦運動功能的代償重組機制。

材料與方法

1.研究對象

本研究通過中南醫(yī)院倫理委員會批準，所有受試者簽署知情同意書。SCI受試者為外傷致截癱（指椎管內(nèi)神經(jīng)組織損傷后，導致脊髓胸段、腰段或骶段運動和／或感覺功能的損害或喪失）、無腦損傷，手感覺運動功能正常，生命體征穩(wěn)定SCI患者，共12例，其中3例因頭動過大被剔除；男8例，女1例，平均年齡（42.89±12.17）歲。對照組為性別、年齡匹配受試者12例；男6例，女6例，平均年齡（42.83±12.49）歲。所有受試者經(jīng)愛丁堡利手量表（Edinburgh handedness inventory）評估為右利手，無高血壓、心臟病、糖尿病、代謝性疾病，精神系統(tǒng)疾病，酗酒或藥物濫用史，常規(guī)顱腦MR掃描無異常改變，無磁共振禁忌癥。SCI截癱患者臨床評估采用脊髓損傷神經(jīng)學分類國際標準（international standards for the neurological classification of spinal cord injury，ISNCSCI），評估內(nèi)容包括損傷平面、運動及感覺評分和損傷程度（完全性或不完全性損傷）。

2.數(shù)據(jù)采集

使用Siemens Magnetom Trio 3.0T磁共振成像儀和8通道陣列頭線圈，fMRI掃描采用梯度回波（gradient echo，GRE）單次激發(fā)回波平面成像（echo planar imaging，EPI）。掃描參數(shù)：TR 2000ms，TE 30ms，翻轉(zhuǎn)角90°，矩陣64×64，24cm×24cm，層厚4.5mm，層間隔0mm，30層。采集數(shù)據(jù)前向受試者詳細解釋實驗方案并在檢查前練習右手序列對指運動，檢查時受試者采取仰臥位，海綿填塞固定頭部。實驗方案：采用組塊設計，交替進行30s靜止和30s右手序列對指運動，重復4次，共240s；為避免掃描開始時磁場波動，最初6s設置為空掃，掃描時間共246s。采集時通過同步刺激提示患者運動開始及終止，靜止時患者保持清醒、平躺；對指運動時全身放松，避免任務以外身體部位運動，序列對指運動頻率約1～2Hz。

3.數(shù)據(jù)分析

基于 Matlab 2010b操作平臺，運行SPM8（http：／／www.fil.ion.ucl.ac.uk／spm）。數(shù)據(jù)預處理包括時間校正、頭動校正（剔除3個方向平移超過3mm，3個方向轉(zhuǎn)動超過3°受試者的數(shù)據(jù)）、空間標準化、平滑（采用6mm半高全寬平滑核）。使用SPSS 20.0軟件，對兩組受試者對側(cè)激活最強點T值及對側(cè)M1激活體積行兩樣本T檢驗，對SCI患者對側(cè)激活最強點T值、對側(cè)M1激活體積與損傷后時間、損傷平面（為將損傷平面加入Pearson相關分析，將損傷平面T1計為9，T2記為10，以此類推）及ISNCSCI評分行Pearson相關分析，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。對照組及SCI組分別進行單樣本t檢驗，統(tǒng)計閾值設定為P＜0.05，F(xiàn)DR校正，獲得群組水平對側(cè)最強激活點MNI坐標。兩樣本t檢驗得到組間統(tǒng)計結(jié)果，統(tǒng)計閾值設定為P＜0.05，F(xiàn)DR校正，激活體素閾值設定為10，采用Xjview軟件顯示結(jié)果，將激活圖重疊于T1W圖像上。

結(jié) 果

兩組受試者性別、年齡差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。SCI組患者進行MRI檢查的時間為損傷后為3～17個月，平均（7.6±4.4）個月，損傷平面為 Th3～L2；其中1例為完全性損傷，8例為不完全性損傷。

兩組受試者個體水平統(tǒng)計對側(cè)最強激活點T值及對側(cè)M1激活體積的平均值、標準差及兩樣本t檢驗結(jié)果見表1。兩組中對側(cè)大腦最強激活點T值及對側(cè)M1激活體積的差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。Pearson相關分析顯示SCI患者損傷平面與對側(cè)M1激活體積呈負相關（r＝－0.807，P＝0.009）。

表1 脊髓損傷組與對照組最大t值及M1激活體積

對照組在進行序列對指運動時，腦激活區(qū)位于對側(cè)初級運動皮質(zhì)、初級體感皮質(zhì)及丘腦、雙側(cè)輔助運動區(qū)、前運動皮質(zhì)及雙側(cè)小腦前葉，其中以小腦前葉以同側(cè)激活最顯著；SCI組中相應腦區(qū)也顯示有激活，對照組和SCI組腦組織最強活激點坐標分別為（－48，－24，60）和（－48，－27，45）（圖1、2）。

數(shù)據(jù)分析處理后顯示，與對照組相比，SCI組雙側(cè)初級運動皮質(zhì)、輔助運動區(qū)、頂下小葉及島葉激活增強（表2）。

討 論

盡管SCI并沒有直接損傷患者的腦皮質(zhì)神經(jīng)元，但SCI對與損傷部位相聯(lián)系的M1會產(chǎn)生影響，從而使M1及周圍腦組織發(fā)生功能重組，來代償感覺運動功能的缺失。腦重組的發(fā)生依賴于結(jié)構(gòu)及功能的改變，如樹突分支的長度及直徑改變或形成新的分支，為新突觸的形成提供機會；功能改變包括神經(jīng)活動改變、突觸效能或星形細胞活動增加等[6]。SCI患者損傷平面以下感覺運動功能受損將會影響損傷平面以下部位執(zhí)行運動任務，如頸髓損傷患者通常無法正常執(zhí)行上肢或手部的運動任務，所有SCI患者下肢功能均受到不同程度影響。研究表明運動任務完成努力程度、頻率和力量對fMRI信號產(chǎn)生影響，隨著努力程度、頻率和力量的增加，M1及SMA激活信號的強度和范圍呈線性增加，超過一定限度會達到飽和，甚至可因疲勞而有所下降[7]。Curt等[8]研究發(fā)現(xiàn)SCI四肢癱瘓患者在進行腕部運動時，上肢功能受損越嚴重，對側(cè)M1、SMA及同側(cè)小腦激活程度越低。本研究中選擇手部運動感覺功能正常的SCI截癱患者，采用相同頻率、幅度進行右手序列對指運動作為運動任務。

表2 脊髓損傷組與對照組相比激活增強腦區(qū)

本組研究結(jié)果顯示，SCI組與對照組在進行右手序列對指運動時，最強激活點位于對側(cè)大腦，相應坐標分別為（－48，－27，45）及（－48，－24，60），提示SCI組最強激活點的位置較對照組偏后。與Green等[3]采用EEG研究SCI患者，發(fā)現(xiàn)運動電位向后移位的結(jié)果相似，推測S1軸突比M1軸突走行更靠近內(nèi)側(cè)和后方，SCI中損傷相對較小，有助于破壞皮質(zhì)脊髓束功能代償，導致S1激活增加，激活區(qū)向后移位；而SCI后M1軸突丟失增加。Turner等[9]使用fMRI研究胸腰段SCI患者手運動時也發(fā)現(xiàn)激活最強點向后移位，而感覺代表區(qū)卻未顯示向后移位。

有研究顯示SCI患者M1激活區(qū)向去輸入肢體代表區(qū)移位，如Bruehlmeier等[10]的研究中發(fā)現(xiàn)手部運動時SCI患者手部激活向去輸入腿部代表區(qū)移位，Mikulis等[11]對9例SCI后右上肢輕癱患者及14例健康受試者進行對照研究，發(fā)現(xiàn)在進行右上肢運動時皮質(zhì)最強激活點在2組中無顯著差異，舌部運動時M1激活最強點向去輸入上肢代表區(qū)移位。Lotze等[4]發(fā)現(xiàn)SCI截癱患者肘部運動時M1代表區(qū)激活向去輸入胸部代表區(qū)移位。與M1激活向去輸入肢體移位類似，S1激活也可向去輸入肢體代表區(qū)移位。Endo等[12]發(fā)現(xiàn)大鼠胸髓完全橫斷后前肢刺激激發(fā)BOLD信號向內(nèi)側(cè)感覺剝奪后肢區(qū)擴張，Rao等[13]研究5只單側(cè)胸髓損傷恒河猴上肢體感任務，發(fā)現(xiàn)S1上肢激活區(qū)向支配腿部區(qū)移位。而Moore等[14]發(fā)現(xiàn)刺激SCI截癱患者損傷平面附近會引起身體其它部位出現(xiàn)幻肢感覺，fMRI顯示刺激過程中感覺皮質(zhì)出現(xiàn)多個不相鄰腦區(qū)激活，包括被刺激區(qū)及出現(xiàn)幻肢感覺區(qū)，提示SCI后感覺功能重組可能并非皮質(zhì)代表區(qū)擴張。

圖1 對照組腦功能MRI，顯示對指運動任務中對側(cè)大腦最強激活點坐標為（－48，－24，60）。a）矢狀面圖像；b）冠狀面圖像；c）橫軸面圖像。 圖2 脊髓損傷組腦功能MRI，顯示對指運動任務中對側(cè)大腦最強點激活位于坐標為（－48，－27，45）。a）矢狀面圖像；b）冠狀面圖像；c）橫軸面圖像。

本研究顯示對照組與SCI組對側(cè)最強激活點T值及對側(cè)M1激活體積無明顯差異，提示手功能代表區(qū)未向周圍擴張。有研究發(fā)現(xiàn)SCI截癱患者手部運動時對側(cè)M1激活體積增大[15]；SCI患者損傷平面與M1激活體積呈負相關，即損傷平面越高M1功能重組越明顯。與對照組比較，SCI組雙側(cè) M1、SMA、頂下小葉及島葉激活增強，與Curt等[15]報道的結(jié)果類似，提示SCI患者腦功能發(fā)生重組。SCI患者完成不同運動任務時腦激活強度存在差異，激活程度可增強、無明顯改變或減少。有研究顯示激活方式可能與損傷平面[8，10]和損傷后時間有關[7，16]。導致這些研究出現(xiàn)差異的原因可能為受試者特征不同。各研究中SCI患者包括亞急性及慢性、完全性及不完全性損傷、截癱及四肢癱等，由于損傷后時間、損傷程度及損傷部位不一致等原因，較難明確SCI對腦功能代償重組的影響。

SCI后腦功能重組的變化可能具有一定的時間特征。Jurkiewicz等[7]采用縱向研究觀察6例SCI患者1周至1年內(nèi)伸腕運動時的腦激活方式的變化，結(jié)果顯示：與對照組比較，亞急性期SCI患者M1激活減少，輔助運動區(qū)、扣帶回皮層、前運動皮質(zhì)及后枕葉皮質(zhì)等次級運動區(qū)激活增加；經(jīng)過一段時間患者功能恢復進入慢性期，顯示M1激活持續(xù)增加，次級運動區(qū)激活減少，直至與正常受試者激活相似。隨后研究者發(fā)現(xiàn)，癱瘓持續(xù)無功能改善的SCI患者在損傷后一年內(nèi)在執(zhí)行右踝背屈時的腦激活方式的變化為損傷最初M1激活與對照組類似，同時出現(xiàn)對照組沒有的感覺運動相關皮質(zhì)廣泛激活，癱瘓持續(xù)一段時間后M1激活顯著減少，感覺運動相關皮質(zhì)激活持續(xù)減少[16]。

SCI后功能代償重組為患者神經(jīng)功能的恢復提供了可能，但功能重組并非等同于運動功能改善，皮質(zhì)重組過度或異?？蓪е禄贾杏X異常及神經(jīng)痛等[17]。康復治療能為患者的功能恢復提供幫助，Cramer等[18]使用運動想象訓練慢性截癱、四肢癱SCI患者，顯示接受訓練的SCI患者對側(cè)蒼白球激活強度顯著提高。Winchester等[19]發(fā)現(xiàn)跑步機計劃增加SCI患者腦激活，提高了患者行走能力。SCI后腦功能代償重組是一個動態(tài)變化的過程，可隨著功能自發(fā)恢復及治療干預而發(fā)生改變，今后的研究應該力求區(qū)分SCI后腦功能重組的改變是基于如細胞移植、藥物或康復訓練等干預治療還是自發(fā)地恢復過程。

總之，本研究發(fā)現(xiàn)SCI截癱患者遠隔部位運動相關腦區(qū)代償重組，且與脊髓損傷平面相關。本研究病例數(shù)少，研究脊髓損傷時間跨度相對較短，應繼續(xù)擴大樣本量并進行縱向研究。

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