基于fMRI的視覺剝奪后大腦重塑研究進展

李清海，朱佩文，邵 毅

(南昌大學第一附屬醫(yī)院眼科，江西 南昌 330006)

fMRI是腦功能活動區(qū)定位和定量的主要檢查方法，依據(jù)BOLD原理進行成像，可對大腦認知、感覺、運動等功能活動進行研究。人的大腦中，參與視覺功能的面積大約為大腦皮層總面積的27%[1]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)對感覺輸入的變化非常敏感。視覺剝奪后的可塑性變化首先由Kitten等于1965年提出。近年來，越來越多的研究[2-3]結(jié)果表明，人體在發(fā)生視覺剝奪后，腦功能和結(jié)構會發(fā)生重塑，主要包括局部大腦結(jié)構改變，如灰質(zhì)體積、相關皮層厚度的變化，以及腦功能結(jié)構網(wǎng)絡改變等。此外，視覺剝奪發(fā)生時患者所處的發(fā)育階段也會對大腦結(jié)構重塑產(chǎn)生一定影響。

1 雙眼先天盲患者大腦重塑

先天盲是指出生時或出生后短期內(nèi)即失去視力。大腦皮層結(jié)構和功能的發(fā)育、成熟是基因修飾[4-6]和經(jīng)驗依賴可塑性[7-8]共同作用的結(jié)果。由于缺乏早期的視覺經(jīng)驗，先天盲患者的大腦皮層不能正常發(fā)育和成熟，從而發(fā)生大腦結(jié)構重塑。Park等[9]利用基于體素的形態(tài)學(voxel-based morphometry， VBM)分析先天盲患者的皮層厚度和表面積，結(jié)果顯示，先天盲患者大腦中與視覺和眼球運動相關的皮層厚度增加，如距狀溝、扣帶回、右額葉視區(qū)，而左側(cè)軀體感覺皮層和右側(cè)聽皮層灰質(zhì)變薄，而其初級視皮層和視覺相關皮層的表面積則明顯降低，這可以解釋盡管視皮層厚度增加、但視皮層體積仍然減小的現(xiàn)象。Reislev等[2]觀察12例先天盲患者腦組織白質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)其視輻射、視皮層等部位白質(zhì)體積萎縮減小，完整性受損。

丘腦在感覺(嗅覺除外)輸入和大腦皮層之間起重要的傳遞作用。在健康人的大腦中，視覺信息經(jīng)外側(cè)膝狀體核中繼后，通過視輻射到達初級視皮層[10]。而在先天盲患者中，枕葉的跨模態(tài)響應可能通過改變信息傳導途徑，從聽覺和軀體感覺丘腦核，經(jīng)外側(cè)膝狀體核到達枕葉皮質(zhì)[11]，即非視覺信號可能由視輻射傳達到視皮層[12-14]。研究[11]發(fā)現(xiàn)，先天盲患者雙側(cè)外側(cè)膝狀體和視輻射體積減小，可能意味著在丘腦感覺核和外側(cè)膝狀體之間有新的異位連接形成，這一結(jié)論已在動物模型上得到初步證實[15-16]。Reislev等[17]的研究表明，先天盲患者的丘腦連接雖然與正常人相似，但DTI參數(shù)卻有顯著差異；先天盲患者顳枕葉皮質(zhì)投射FA值明顯下降，提示丘腦微觀結(jié)構發(fā)生了重塑，且這種變化與失明有關。

Strnad等[18]利用fMRI檢測先天盲患者與正常對照組的中顳區(qū)(視覺運動V5/MT+區(qū))對聽覺的反應，發(fā)現(xiàn)先天盲患者的V5/MT+區(qū)對聽覺運動信息反應強烈，且具有選擇性。基于多體素模式分析的fMRI研究[18]表明，先天盲患者V5/MT+區(qū)包含不同條件的聽覺運動信息，且這些現(xiàn)象只見于V5/MT+區(qū)，而初級視皮層(V1區(qū))并無類似改變，提示V5/MT+區(qū)對聽覺運動的敏感性不依賴于早期經(jīng)驗，而這可能是該區(qū)域在先天盲后強烈跨模態(tài)募集的基礎。對先天盲患者嗅覺加工處理的研究較少，但有證據(jù)表明，嗅覺系統(tǒng)也具有高度可塑性，并且失明患者較正常人更依賴嗅覺信息，因此失明患者的嗅覺系統(tǒng)易于受到類似于觸覺和聽覺的跨模態(tài)變化的影響。Kupers等[3]在一個簡單的氣味測試任務中測量先天盲患者和被蒙住眼睛的受試者的BOLD信號變化，發(fā)現(xiàn)2組間任務相關的激活區(qū)存在差異；相比對照組，先天盲患者初級(右側(cè)杏仁核)和次級(右側(cè)眶額皮質(zhì)和海馬)嗅區(qū)的激活更強烈，并且在先天盲患者的整個枕葉皮層范圍內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了任務相關性激活，而對照組中并未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象；而在嗅覺測試中，枕葉皮層強大的募集能力表明，患有先天視力障礙或失明時，嗅覺刺激可優(yōu)先傳入這一區(qū)域。上述發(fā)現(xiàn)擴展了先天盲患者視覺剝奪后枕葉皮層通路功能的相關知識，即在觸覺和聽覺的處理之外，枕葉皮層還與嗅覺處理有關。以上研究結(jié)果均表明，先天盲患者的大腦發(fā)生了多種重塑以適應日常生活，提示視皮層的正常發(fā)育對早期視覺經(jīng)驗有很強的依賴性，采用fMRI分析腦區(qū)改變對研究大腦重塑機制具有重要意義。

2 雙眼早期盲患者大腦重塑

早期盲一般指在12歲前發(fā)生的視覺剝奪，此時大部分患者還處于身體和大腦發(fā)育的關鍵期，因此早期盲患者也發(fā)生了較大范圍的腦重塑現(xiàn)象。正常人主要通過視覺來感知外部環(huán)境，而失明患者則通過非視覺信息來感知外部環(huán)境，尤其是當視覺剝奪發(fā)生在早期，早期盲患者往往表現(xiàn)出較正常人更高效的非視覺信息處理能力，這種適應性的改變可能就是腦功能皮質(zhì)結(jié)構和功能重塑或重組的結(jié)果。

Pan等[13]利用VBM技術比較早期盲與正常對照組的腦灰質(zhì)和白質(zhì)體積，發(fā)現(xiàn)早期盲患者的視束和視輻射中的白質(zhì)體積明顯減少、視皮層灰質(zhì)體積明顯減少，整體表現(xiàn)為灰質(zhì)和白質(zhì)結(jié)構萎縮；且在視輻射中，白質(zhì)體積的減少受失明年齡和失明持續(xù)時間的影響，但在初級視皮層中，灰質(zhì)體積減少似乎不受失明年齡的影響。Shimony等[19]利用DTI和擴散張量纖維束成像(diffusion tensor tractography， DTT)技術研究早期盲患者大腦重塑，發(fā)現(xiàn)早期盲患者視輻射明顯萎縮，視皮層與眶額葉和顳葉皮質(zhì)之間的連接相對保存，枕葉白質(zhì)的平均彌散率和FA值改變，提示視覺通路解剖連接受損。此外，早期盲患者的其他腦區(qū)也發(fā)生了繼發(fā)性改變。Yu等[20]利用DTI的FA值對皮質(zhì)脊髓束的可塑性進行定量分析，發(fā)現(xiàn)在早期盲患者中，皮質(zhì)脊髓束白質(zhì)的完整性增強。

Jiang等[21]利用BOLD-fMRI技術觀察早期盲患者聽皮層和枕葉皮層在處理聽覺運動信息的發(fā)育可塑性，結(jié)果表明，早期盲患者具有卓越的聽覺處理能力，其hMT+聽覺運動區(qū)BOLD信號增強而右顳平面BOLD信號減少，提示視覺剝奪導致以上相關腦區(qū)發(fā)生了結(jié)構改變和重塑。

以上研究表明，早期盲患者在失明時處于大腦發(fā)育的關鍵期，視覺剝奪導致的大腦結(jié)構和功能的重塑顯著，主要有視覺信息處理相關區(qū)域腦灰質(zhì)和白質(zhì)萎縮、視覺通路解剖連接受損，以及其他腦區(qū)的繼發(fā)性改變等。

3 晚期盲患者大腦重塑

兒童的視力是逐步發(fā)育成熟的，視覺發(fā)育的關鍵期為0～3歲，于6～8歲發(fā)育成熟，臨床一般將晚期盲定義為12歲以后發(fā)生的視覺剝奪。目前關于晚期盲患者大腦重塑的研究相對較少。晚期盲患者在發(fā)生視覺剝奪時并非處于視覺發(fā)育的關鍵期，因此，與早期盲或先天盲患者相比，其大腦結(jié)構的改變和重塑的程度較輕。Lepore等[22]測量16例晚期盲(雙眼)患者、16例早期盲(雙眼)患者以及16名正常對照組的腦灰質(zhì)和白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與對照組比較，晚期盲患者的差異腦區(qū)并不廣泛，主要是視皮層體積有所減小，此外還可見枕葉外側(cè)區(qū)肥大，提示存在輕度代償。Schoth等[23]對比6例獲得性盲(雙眼)患者和11名健康對照組的DTI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)視束和錐體束的FA值差異無統(tǒng)計學意義，提示2組間在視覺相關大腦結(jié)構和功能上無顯著差異。Zhang等[24]發(fā)現(xiàn)晚期盲患者視神經(jīng)具有較高的平均彌散率和橫向彌散率及較低的FA值，提示視神經(jīng)失用性萎縮，而視輻射完整性保持正常，表明大腦重塑不明顯。Dietrich等[25]解釋晚期盲患者具有的超快速語音處理能力時發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，晚期盲患者丘腦和丘腦右半球視輻射水平的FA值減低，提示可能發(fā)生了結(jié)構改變和重塑。上述2項關于視輻射層面上重塑性改變的研究[24-25]結(jié)果存在矛盾之處，可能系因樣本量和后天失明的原因不同而造成。

Shao等[26]利用靜息態(tài)fMRI的體素鏡像同倫連接(voxel-mirrored homotopic connectivity， VMHC)方法觀察單眼失明患者的大腦功能連接改變，發(fā)現(xiàn)存在異常的腦半球間功能連接視覺通路，即楔葉、距狀溝和舌回的VMHC值顯著降低。以上研究表明，晚期盲患者大腦結(jié)構的重塑雖不明顯，卻仍然存在，可為后續(xù)研究提供參考。

4 小結(jié)與展望

針對動物和人類中有關視覺剝奪的大腦結(jié)構和功能改變已有廣泛研究，以揭示其潛在的可塑性機制?；仡櫦韧芯浚l(fā)現(xiàn)早期視覺經(jīng)驗在失明患者的腦灰質(zhì)和白質(zhì)結(jié)構變化及功能重塑方面起著重要作用，并且視覺剝奪發(fā)生時患者所處的發(fā)育階段也具有重要影響。在發(fā)育關鍵期前發(fā)生視覺剝奪的患者大腦結(jié)構的重塑明顯，而晚期盲患者重塑現(xiàn)象較少見。但目前對于失明后大腦結(jié)構或功能改變的研究尚不完全，尤其是在晚期盲方面，有待進一步深入觀察。