青少年特發(fā)性脊柱側凸的神經(jīng)影像學研究進展

占雅如，譚永明，何來昌

作者單位：

南昌大學第一附屬醫(yī)院影像科，南昌330006

青少年特發(fā)性脊柱側凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)是指無明確病因的脊柱三維畸形，多發(fā)生于青春發(fā)育期，是一種最常見的脊柱側凸。AIS多見于青春期女性(發(fā)病率約60%～80%)，且女性AIS患者病情較男性嚴重[1-2]。AIS的癥狀較復雜，合并較多并發(fā)癥，其發(fā)病原因目前還未明確，學者持不同看法，尚未形成統(tǒng)一定論。應用Cobb法測量站立正位X線像的脊柱側方彎曲角度大于10°，即為脊柱側凸。脊柱側凸的直觀表現(xiàn)為患者站立位時出現(xiàn)脊柱向一側彎曲，且雙肩不等高，單側肩胛骨向后突出等，AIS無法預防，進展時多伴有心肺功能的下降[3]、腰背部疼痛、甚至出現(xiàn)心理障礙，患者的學習和生活受到影響。根據(jù)年齡、彎曲度數(shù)等因素不同，患者有不同的治療方法，但都應早期矯正脊柱畸形程度為主要目的。

了解AIS的發(fā)病因素對早期預防進展及診療有重要意義。目前AIS的病因學存在多種假說[4-8]，涉及遺傳因素、激素、生物力學、姿勢異常、前庭系統(tǒng)異常、腦及脊髓異常等。近年來，有研究認為特發(fā)性脊柱側彎患者的神經(jīng)系統(tǒng)方面出現(xiàn)異常，包括皮質體感誘發(fā)電位(somotosensory-evoked potentials，SEPs)的潛伏期延長[9]，位置覺、震動覺及眼前庭功能異常[10]，體位平衡和步態(tài)受損[11-12]，不對稱的大腦皮質超興奮[13]，這些都提示神經(jīng)系統(tǒng)異?？赡茉贏IS的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。伴有神經(jīng)系統(tǒng)方面異常的脊柱側凸更易進展，患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常導致姿勢平衡控制障礙，通過軀體兩側肌肉力量不對稱引起脊柱側凸。

近年來，隨影像技術的快速發(fā)展，磁共振成像在AIS 的診療過程中不可或缺。MRI提供具有高分辨率的軟組織結構圖像，能夠觀察到腦及脊髓宏觀結構的異常，幫助反映AIS的神經(jīng)結構異常；同時，如擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、氫質子磁共振波譜(proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)和血氧水平依賴功能磁共振成像(blood oxygenation level dependent-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)等新型影像學技術能無創(chuàng)性檢測神經(jīng)系統(tǒng)的微觀結構、代謝以及功能方面的相關信息。目前有關AIS的病因學研究主要集中于中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常，筆者主要從腦及脊髓等神經(jīng)功能和結構方面闡述AIS的可能發(fā)病機制以及對AIS的神經(jīng)影像方面的研究進行綜述。

1 AIS與脊髓異常

既往的研究表明，AIS可伴發(fā)腦及脊髓的解剖畸形，如小腦扁桃體下疝畸形(即Chiari畸形)、脊髓空洞癥和圓錐上移等，提示神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異?？赡苁茿IS的重要發(fā)病機制之一。

Rajasekaran等[14]發(fā)現(xiàn)有16% (15/94)的AIS患者出現(xiàn)椎管內異常，如Chiari畸形及脊髓空洞癥等脊髓解剖異常。Ozturk等[15]對249名患者進行全脊椎MRI檢查，發(fā)現(xiàn)有8%的患者(3名男性和17名女性)在MRI上有脊髓空洞癥等發(fā)育異常。而Do等[16]僅發(fā)現(xiàn)7例(7/327) AIS患者有脊髓解剖異常，并由此認為AIS與脊髓異常并沒有太大關聯(lián)。但是這些研究都存在樣本量、抽樣方法的局限性或偏差，這一假設值得進一步研究。

英國學者Porter[17-18]提出“神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼組織的生長不平衡”假說。勞立峰等對49例AIS患者及41例對照組的全脊髓脊柱和后腦進行MRI檢查和多平面三維重建，結果發(fā)現(xiàn)與對照組相比，AIS組的脊髓與脊柱全長的比值減低，脊髓圓錐位置上移，認為AIS患者的脊髓結構較正常人存在差異[19-20]。另有學者進一步發(fā)現(xiàn)重度側凸AIS患者的脊柱全長更長，脊髓的相對縮短和功能發(fā)育可能在AIS的發(fā)病機制中起重要作用[21]。以上研究均有效支持了Porter[17-18]提出的“神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼組織的生長不平衡”的 AIS發(fā)病機制假說。而一些學者觀察發(fā)現(xiàn)AIS患者組及對照組的脊髓圓錐末端的位置無統(tǒng)計學差異[22-23]。由此可見脊髓圓錐位置上移是否為AIS特異征象或正常人群變異尚待商榷。

通過DTI技術評估13名右胸彎AIS及13名對照組女孩的延髓和脊髓的纖維束的完整性，Kong等[24]發(fā)現(xiàn)AIS患者的延髓及C1-C5節(jié)段脊髓的部分各向異性分數(shù)(Fractional anisotropy，F(xiàn)A)值明顯減低、平均彌散率(mean diffusivity，MD)值明顯增加，但是C5～6水平以下的脊髓FA以及MD值無明顯改變。綜合Chau等[25]發(fā)現(xiàn)AIS患者在C5～6水平以上出現(xiàn)體感誘發(fā)電位異常，這些發(fā)現(xiàn)可能解釋了AIS所涉及的神經(jīng)通路異常的病理生理學機制。但是這些研究結果與AIS的側彎其他類型檢查結果是否相關尚未可知，因此進一步脊髓MRI檢查結合神經(jīng)電生理可能有利于揭示AIS的神經(jīng)相關機制。

2 AIS與前庭系統(tǒng)異常

人體在不同情況下的姿勢平衡主要是通過人體平衡系統(tǒng)來維持，這個復雜的系統(tǒng)主要由三個方面組成，而前庭系統(tǒng)是最重要部分。前庭系統(tǒng)是負責感知頭部旋轉運動和維持人體姿勢平衡的感覺器官，是人體平衡系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，若前庭系統(tǒng)中某個或多個部位出現(xiàn)異常，脊柱就可能通過側凸來維持人體姿勢平衡。前庭系統(tǒng)由外周前庭器官、前庭中樞處理系統(tǒng)和運動輸出系統(tǒng)三個主要部分組成。前庭中樞處理系統(tǒng)主要有三個部分：腦干、小腦和腦皮質。

2.1 AIS與前庭器官

前庭器官可分為三個半規(guī)管(水平半規(guī)管、前半規(guī)管、后半規(guī)管)和前庭感受器(包括球囊和橢圓囊)兩部分，它們能夠感知人體在空間位置中的改變，并向中樞處理系統(tǒng)傳導，以調節(jié)變化的位置及姿勢，在保持姿勢平衡中起著重要作用。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制和椎旁肌收縮與舒張的協(xié)調作用保持人體的平衡姿勢，而前庭功能異?？梢詫е萝|干肌調節(jié)失衡，進一步導致脊柱失衡。

通過MRI技術檢測95例合并有AIS的前庭病變患者的骨半規(guī)管及淋巴管的形態(tài)，Rousie等[26]發(fā)現(xiàn)超過半數(shù)患者的側淋巴管和后淋巴管異常連接，并且發(fā)現(xiàn)這種異常連接可能與眼球震顫反射異常有關，認為這種異常連接對前庭感知和脊柱側凸可能存在潛在影響。Hitier等[27]發(fā)現(xiàn)與對照組的左側半規(guī)管相比，AIS組的水平半規(guī)管方向更加垂直、位置更加偏離中線，提示這些形態(tài)學異常與AIS患者的功能異常有關。此學者還假設前庭形態(tài)上的左右不對稱可能在出生前就已經(jīng)存在，前庭器官通過影響AIS患者的下丘腦、小腦和前庭脊髓束進而導致患者出現(xiàn)激素水平、神經(jīng)系統(tǒng)以及肢體平衡方面的異常。但沒有足夠的證據(jù)支持這個假設，在未來的研究可以設計相關的縱向研究，若這個假設得以證實，今后可應用簡單便捷的水平半規(guī)管MRI檢查對AIS的高危人群進行篩查，進行早期診療。還有學者提出研究AIS的發(fā)病機制可能與前庭功能異常有關[28-29]。有關于前庭的功能與結構之間的研究或許將進一步揭示AIS的發(fā)生發(fā)展機制。

前庭器官是一種有3個C字形的曲面結構，因其復雜的拓撲結構，評價解剖結構顯然要困難得多。近年來，部分學者通過一些新算法及技術揭示了AIS患者與正常人之間的前庭系統(tǒng)形態(tài)上的差異有顯著統(tǒng)計學意義[30-32]。如Shi等[33]提出一種創(chuàng)新的電腦技術來自動分割前庭，以便分節(jié)段地定量評價前庭器官的形態(tài)學特征，結果顯示外半規(guī)管和上半規(guī)管的中心距離以及兩者在后半規(guī)管幾何中心的角度明顯較小，認為半規(guī)管形態(tài)的改變可能會影響內淋巴的流動動態(tài)，進而影響感覺毛細胞，這些細胞負責通過前庭神經(jīng)向中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳遞有關身體旋轉運動的信號，最終導致前庭功能障礙。

目前，對前庭器官進行形態(tài)學分析多基于MRI技術，提出了多種算法來解決前庭解剖結構的形態(tài)學統(tǒng)計分析。但至今沒有確立統(tǒng)一的前庭器官影像形態(tài)學算法，未來的研究可以找出一種更加準確的算法分析前庭形態(tài)。

2.2 AIS與腦干

有研究表明右胸彎AIS患者的延髓的FA值明顯減低、MD值明顯增加[24]。Geissele等[34]也發(fā)現(xiàn)AIS患者組延髓腹側部的解剖上的不對稱發(fā)生率顯著高于對照組。腦干是連接大腦半球與脊髓的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，腦干的網(wǎng)狀系統(tǒng)聯(lián)系著動眼神經(jīng)核和前庭神經(jīng)核。這些研究發(fā)現(xiàn)支持腦干等中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常是AIS發(fā)生的原因，所以有必要進一步檢查AIS的發(fā)病機制是否也與腦干等中樞神經(jīng)有關。

2.3 AIS與小腦

小腦與前庭神經(jīng)核之間有雙向的神經(jīng)纖維連接，兩者共同協(xié)調軀干以及四肢肌肉的活動。切除小腦后，前庭反射出現(xiàn)異常從而導致定位出錯且效率低下。由于后小腦和絨球小結葉與前庭神經(jīng)核有廣泛的傳入和傳出纖維聯(lián)系[35]，故AIS的發(fā)病機制應涉及小腦的功能和形態(tài)學研究。

Shi等[36]發(fā)現(xiàn)AIS患者小腦半球的左右不對稱，且小腦右側VIIIa、右側VIIIb、雙側X等四個區(qū)域的體積顯著增加，以上的區(qū)域與前庭功能密切相關，提示AIS中小腦區(qū)域體積的增加可能是對平衡控制功能失調的一種補償反應。部分學者發(fā)現(xiàn)AIS的小腦扁桃體的位置下移，表明這與側凸發(fā)生發(fā)展有所關聯(lián)。如孫旭等[37]對203例Cobb角均大于40°的AIS患者和86例正常青少年均行包括枕頸部在內的矢狀面MRI掃描，發(fā)現(xiàn)AIS組的小腦扁桃體平均位置明顯減低，減低程度與側凸類型間存在相關性，并且認為部分AIS患者出現(xiàn)的小腦扁桃體下移(＞2 mm)與軀體感覺、本體感覺異常以及空間定位障礙可能有關。勞立峰等研究發(fā)現(xiàn)38.3%AIS患者的小腦扁桃體位置下移，與Cobb角間無明顯相關，認為這可能是對脊髓相對縮短的繼發(fā)性改變[19-20]。郭霞等[38]對164名AIS患者行全脊髓的矢狀位MRI成像及脛后神經(jīng)體感誘發(fā)電位檢查(somatosensory evoked potentials，SEPs)，發(fā)現(xiàn)小腦扁桃體下移的AIS患者大多同時合并有體感誘發(fā)電位異常，提示小腦扁桃體脫出枕骨大孔時會造成脊髓后索受壓，體感神經(jīng)傳導通路病理改變是導致AIS的可能機制。Cheng等[39]進一步發(fā)現(xiàn)在AIS組中小腦扁桃體下移程度與側凸畸形嚴重程度呈正相關。

2.4 AIS與大腦皮層

AIS中脊柱畸形可能是亞臨床神經(jīng)系統(tǒng)疾病的骨骼肌肉表達，在調節(jié)脊柱活動時，大腦皮層結構或功能的不對稱可能是導致AIS的原因。此外，本體感受性輸入的異常處理或皮層的感覺運動整合異?？赡軙е翧IS的平衡障礙及姿勢異常。這些觀察結果可能表現(xiàn)為異常皮層厚度或腦皮層激活模式異常。

Wang等[40]基于T1WI的表面測量方法觀察到正常組的腦皮層厚度與年齡呈負相關；而在患者的腦皮層厚度及年齡未見明顯相關，且AIS組的雙側大腦半球皮層厚度不對稱，認為這種皮質成熟狀態(tài)異?？赡苁茿IS的發(fā)病原因或是脊柱側凸的繼發(fā)性腦改變。此外，與運動和前庭功能相關的腦皮層厚度在兩組間有顯著差異，這提示在前庭反射的高級中樞中，AIS患者與正常人的腦皮質發(fā)育可能存在差異。而Domenech等[41]采用手任務態(tài)fMRI發(fā)現(xiàn)AIS患者的對側輔助運動區(qū)域的血氧水平依賴活動顯著增加，輔助運動區(qū)域在運動執(zhí)行過程中的異常腦激活模式支持感覺運動整合障礙是ASI患者發(fā)病機制的假設。

3 AIS與胼胝體異常

胼胝體是位于兩側大腦半球皮層之間的纖維束，是最大的聯(lián)合纖維，負責半球間信息的傳遞和功能整合，大腦皮質70%～80%的信息是通過胼胝體聯(lián)系的。

Shi等[42]應用基于體素的形態(tài)學方法發(fā)現(xiàn)，左胸彎AIS女性患者的胼胝體膝部和左側內囊前肢的白質衰減較對照組減低，提示AIS半球間信息傳遞及皮質丘腦投射纖維較正常人減弱。Wang等[43]使用基于體積和基于邊界的形態(tài)學方法來分析胼胝體的2D形態(tài)，發(fā)現(xiàn)左胸彎AIS組胼胝體壓部形態(tài)存在顯著差異，可能提示左胸彎AIS病人的胼胝體壓部發(fā)育延遲。在與AIS患者的骨骼生長和人體測量參數(shù)中，胼胝體可能是廣義的左右不對稱的一部分。如Liu等[44]使用一種基于圖譜的混合變形方法發(fā)現(xiàn)在右胸彎AIS女性患者的99個預先選定的神經(jīng)解剖學腦區(qū)中有22個腦區(qū)的平均體積小于對照組，其中胼胝體的體積較對照組更大，而右側內囊的體積較小。此學者還發(fā)現(xiàn)AIS患者會表現(xiàn)出上下肢的左右不對稱，胼胝體的異常功能可能導致AIS患者的左右身體的不協(xié)調以及姿勢平衡受損。以上結果表明大腦體積的不對稱性可能是導致軀體不對稱的神經(jīng)解剖學基礎。此外，有研究發(fā)現(xiàn)使用DTI量化分析胼胝體的FA值，發(fā)現(xiàn)左胸彎患者胼胝體干前部的FA值顯著減低，這個區(qū)域連接了兩個大腦半球運動及前運動皮層，這些皮層之間胼胝體FA值減低最終會導致半球間平衡及皮質脊髓束的控制異常[45]。其他學者用同樣技術發(fā)現(xiàn)AIS組胼胝體的膝部和壓部的FA值均較對照組減低[46]。而胼胝體和內囊的檢測異常是否具有病理意義或繼發(fā)于不適當?shù)捏w位調整，則需要進一步的調查。

4 小結與展望

AIS是發(fā)生于青春期最常見的脊柱側凸，多年來人們一直努力探索AIS的發(fā)生發(fā)展因素，但至今仍未查到其切確的發(fā)病機制。采用常規(guī)MRI及一些先進的MR技術監(jiān)測AIS患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)AIS患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常解剖，為AIS的發(fā)病原因提供設想與依據(jù)。AIS患者的神經(jīng)系統(tǒng)的結構及功能代謝異常是AIS的發(fā)病機制，或者中樞神經(jīng)結構或功能異常是對脊柱畸形的代償性或繼發(fā)性改變的結果，這兩種假設都值得我們繼續(xù)研究，未來的關聯(lián)研究和縱向研究應該有助于確定腦及脊髓的異常與AIS發(fā)病機制之間的關系，這可能對脊柱側彎的發(fā)展和進展有重要的預防和預后影響。目前有關于AIS患者中樞神經(jīng)結構或功能異常的磁共振成像研究多集中在腦及脊髓的解剖異常上，而AIS患者的神經(jīng)功能、代謝活動少有研究。鑒于目前一些研究的不足，今后的研究設計需完善側凸的類型、嚴重程度、病程、年齡、性別等影響因素。

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