上肢截肢者大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)神經(jīng)可塑性的研究進(jìn)展

郝瑩，郭峰

1.沈陽體育學(xué)院，a.研究生部；b.運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽市110102

2010年，全球超過10億人或15%的世界人口有某種形式的殘疾，明顯高于世界衛(wèi)生組織以前的預(yù)估[1]。中國有8500萬殘疾人，約占全國總?cè)丝?.2%，肢體殘疾在所有殘疾類別中人數(shù)最多，這些群體迫切地需要康復(fù)和救助。肢體缺失的殘疾人要生活自理，回歸社會(huì)，參加工作或?qū)W習(xí)，需要進(jìn)行系統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練，而截肢者的殘肢康復(fù)計(jì)劃的制定，需要有神經(jīng)生理學(xué)等學(xué)科支持。

對于截肢者來說，如何正確有效地使用殘肢和假肢至關(guān)重要。與發(fā)達(dá)國家相比，我國殘疾人基本輔助器具總體配置率偏低[2]。假肢的佩戴能幫助截肢者恢復(fù)部分肢體功能，而假肢與殘肢的充分整合、佩戴假肢前如何保持甚至發(fā)展殘肢功能、佩戴后如何充分發(fā)揮假肢的作用，是亟需解決的問題；佩戴假肢過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，對患者功能恢復(fù)至關(guān)重要[3]。

目前與上肢截肢有關(guān)的康復(fù)方法和技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)甚少[4]，我們也沒有真正了解截肢者的神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)如何學(xué)習(xí)和適應(yīng)殘肢和假肢，以神經(jīng)信號為信號源的研究仍是一個(gè)難關(guān)[5-6]。我們要用神經(jīng)生理學(xué)和神經(jīng)可塑性的知識解釋截肢后的運(yùn)動(dòng)控制[7]。本文對已知與截肢潛在相關(guān)的研究進(jìn)行歸納與分析，以利于更好了解截肢者中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。

1 感覺喪失下的神經(jīng)可塑性

截肢后神經(jīng)可塑性與感覺反饋有很大聯(lián)系。目前，國內(nèi)外關(guān)于截肢者神經(jīng)生理學(xué)的研究甚少，我們可以從截肢者感覺喪失方面的研究入手。殘肢在日常生活中的使用與感覺缺失的可塑性有關(guān)[8]。因此，如果殘肢在日常生活中不經(jīng)常使用，這可能會(huì)影響神經(jīng)可塑性。

1.1 神經(jīng)傳導(dǎo)阻滯

目前對感覺喪失的研究多通過建立急性功能性肢體缺失的模型來實(shí)現(xiàn)，其中缺血性神經(jīng)阻滯(ischemic nerve block,ⅠNB)可以達(dá)到急性功能性肢體缺失的效果。很多研究證實(shí)[9]，一側(cè)肢體截肢或神經(jīng)傳導(dǎo)阻滯能引起大腦軀體感覺區(qū)和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能改變。機(jī)體受到嚴(yán)重?fù)p傷(如肢體缺失)可導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能重組。誘發(fā)短暫性上肢本體感覺性缺失的方法有兩種，ⅠNB和冷凍療法[10]。ⅠNB引起肌肉麻痹和快速可塑性。由于軀體感覺反饋退化，運(yùn)動(dòng)任務(wù)執(zhí)行會(huì)更多依賴肢體的行為反饋，以補(bǔ)償本體感覺輸入。ⅠNB可能會(huì)改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)對運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性的預(yù)期和計(jì)劃[11]。

截肢后肢體缺失不僅影響對側(cè)半球，對同側(cè)半球也有相應(yīng)影響。Werhahn等[12]發(fā)現(xiàn)，γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)可抑制ⅠNB對側(cè)大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)興奮性增加；快速大腦同側(cè)半球皮質(zhì)可塑性能夠提高ⅠNB對側(cè)大腦皮質(zhì)興奮性[13]。Thomas等[14]發(fā)現(xiàn)，右腕ⅠNB引起右手感覺輸入減少，使同側(cè)大腦半球反射減弱；在手運(yùn)動(dòng)期間，前臂伸肌可記錄由于神經(jīng)阻滯引起的同側(cè)和對側(cè)反射；右臂的對側(cè)反射高于左臂，同側(cè)反射不受ⅠNB影響。因此，半球間平衡的變化可能導(dǎo)致神經(jīng)刺激對側(cè)反應(yīng)的增加或減少。

全腦神經(jīng)成像技術(shù)證明，神經(jīng)系統(tǒng)可塑性可以影響運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)以外的其他運(yùn)動(dòng)控制區(qū)域。功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRⅠ)可通過選擇性降低運(yùn)動(dòng)任務(wù)中的視覺或本體感覺的反饋，了解所涉及的神經(jīng)系統(tǒng)功能變化[15]。Beauchamp等[16]讓受試者用右手使用鑷子抬起和放置一個(gè)方塊。先在正常條件下完成任務(wù)，然后分別在遮擋部分視力和用ⅠNB減少右手感覺下完成任務(wù)，研究表明，在視力和感覺完好的情況下，左側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)參與完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)；視覺下降時(shí)，枕后部和枕顳區(qū)復(fù)合體激活增加。這表明，當(dāng)人體完成手眼協(xié)調(diào)任務(wù)時(shí)，需要相關(guān)區(qū)域高度參與，這些任務(wù)可能有助于受損肢體的感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)恢復(fù)；感覺受損可以引起運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)以外皮質(zhì)區(qū)域功能顯著變化。

1.2 本體感覺缺失

本體感覺在塑造運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)可塑性方面起著至關(guān)重要的作用。Witscher[17]發(fā)現(xiàn)，無振動(dòng)的對照組對側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)興奮性降低，接受振動(dòng)刺激會(huì)使這種效應(yīng)最小化；在對照組和觸覺振動(dòng)組中，大腦同側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)過度興奮，而本體感覺振動(dòng)組沒有出現(xiàn)過度興奮。這表明，本體感覺缺失可能導(dǎo)致大腦半球興奮性失衡。感覺反饋通過丘腦皮質(zhì)投射可以改變運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)可塑性。這可能與截肢康復(fù)密切相關(guān)，但目前尚不清楚本體感覺恢復(fù)會(huì)對慢性上肢截肢者大腦半球失衡造成什么影響。雖然運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)可以促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞和突觸的生成，增加突觸效率，使皮質(zhì)興奮性提高[18]，但降低初級運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性可以抑制對側(cè)手對運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)，同時(shí)促進(jìn)同側(cè)手運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)[19]。Philip等[20]將受試者上肢固定12 h，發(fā)現(xiàn)會(huì)影響上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)的協(xié)調(diào)性，提示前饋控制系統(tǒng)受損。截肢者能夠在截肢狀態(tài)下進(jìn)行抓握和運(yùn)動(dòng)計(jì)劃選擇，利用殘肢實(shí)現(xiàn)動(dòng)作計(jì)劃[21]。因此，即使沒有仿生假肢，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)也可能通過其他來源的感覺反饋來適應(yīng)。目前還不知道截肢術(shù)后神經(jīng)適應(yīng)的程度有多大。

2 截肢者鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)(mirror neuron system,MNS)在神經(jīng)可塑性中的作用

截肢者需要模擬治療師的動(dòng)作學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)功能，根據(jù)康復(fù)治療師制定的完整康復(fù)計(jì)劃，學(xué)習(xí)使用殘肢或假肢。

MNS成為神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域所討論的焦點(diǎn)話題[22]，有關(guān)人類MNS機(jī)制的研究也取得豐碩成果[23]。MNS是指當(dāng)觀察他人的行為時(shí)，大腦運(yùn)動(dòng)相關(guān)的皮質(zhì)區(qū)域激活增加的現(xiàn)象。Zult等[24]發(fā)現(xiàn)，觀察并模仿他人運(yùn)動(dòng)可刺激支配動(dòng)作的相應(yīng)腦區(qū)，加快大腦對相應(yīng)動(dòng)作的理解與學(xué)習(xí)。Tai等[25]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀察虛擬機(jī)器人模仿人類運(yùn)動(dòng)時(shí)，MNS效果可能會(huì)減弱，提示MNS可能優(yōu)先參與那些外觀和運(yùn)動(dòng)能力與觀看者相似的肢體動(dòng)作。

研究發(fā)現(xiàn)，截肢者在常規(guī)康復(fù)環(huán)境中難以獲得佩戴假肢的運(yùn)動(dòng)技能，原因之一是他們向康復(fù)治療師學(xué)習(xí)，而不是向假肢使用者學(xué)習(xí)。Cusack等[26]發(fā)現(xiàn)，正常受試者在觀察正常人或假肢佩戴者的手臂運(yùn)動(dòng)后，模仿動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃中表現(xiàn)出等效的左側(cè)頂額葉激活；假肢使用者模仿假肢演示時(shí)，也觀察到典型的左側(cè)頂額葉激活；但當(dāng)假肢使用者模仿正常人的手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，右側(cè)頂葉和枕葉皮質(zhì)區(qū)域顯示更強(qiáng)的神經(jīng)活動(dòng)。這表明，讓截肢者模仿正常人的動(dòng)作，并不能進(jìn)行正常的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，這對他們的康復(fù)不利。截肢者的殘肢或假肢訓(xùn)練應(yīng)采取非常規(guī)的訓(xùn)練計(jì)劃。

以往的研究表明，假肢使用者模仿正常人肢體動(dòng)作時(shí)，動(dòng)作結(jié)果也有改善，有人認(rèn)為這些改進(jìn)可能與受試者的視覺角度有關(guān)。Lawson等[27]讓非限位假肢使用者分別從矢狀面和冠狀面角度觀察模仿治療師的康復(fù)動(dòng)作，發(fā)現(xiàn)觀察角度對假肢使用者的學(xué)習(xí)效果有顯著影響。

3 幻肢痛與神經(jīng)可塑性的關(guān)系

幻肢痛是指患者被截肢后，仍感覺到被截除的肢體所發(fā)生的疼痛，常同時(shí)伴有幻肢覺和殘肢痛，是截肢后常見并發(fā)癥之一，發(fā)生率高達(dá)80%[28]?；弥X和幻肢痛一般與年齡相關(guān)，在幼兒截肢患者中很少出現(xiàn)幻肢覺和幻肢痛，先天性肢體缺失的患者則不會(huì)出現(xiàn)幻肢覺和幻肢痛。外周感受器、感覺傳入纖維、脊髓傳導(dǎo)通路、丘腦等各個(gè)感覺傳入環(huán)節(jié)，甚至皮質(zhì)的變化都可能與幻肢痛密切相關(guān)，與患者的心理因素也可能有一定關(guān)系[29]。

與中樞神經(jīng)相關(guān)疾病(如腦卒中、腦損傷)不同，創(chuàng)傷性截肢被認(rèn)為可能不會(huì)改變大腦結(jié)構(gòu)(但關(guān)于灰質(zhì)和白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化方面存在爭議)[30-31]；如果改變了，似乎與幻肢覺更相關(guān)[32]。如果上肢截肢者表現(xiàn)出感覺重組，往往也與幻肢覺密切相關(guān)。Karl等[33]使用經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)和軀體感覺皮質(zhì)神經(jīng)電極，對有幻肢痛的患者進(jìn)行神經(jīng)成像，并與無幻肢痛的前臂截肢者進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)幻肢痛的前臂截肢者誘發(fā)肱二頭肌收縮時(shí)需要較大的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位，且截肢側(cè)殘肢肌肉比健側(cè)有更大的皮質(zhì)投射面積。提示幻肢痛的截肢患者運(yùn)動(dòng)和軀體感覺區(qū)域可塑性增強(qiáng)。Sanne等[34]認(rèn)為，幻肢痛主要由初級軀體感覺皮質(zhì)重組引起，表現(xiàn)為殘肢功能退化和其他身體部位重新映射。他們要求單側(cè)上肢截肢者通過運(yùn)動(dòng)想象移動(dòng)他們的幻肢或其他身體部位，并使用fMRⅠ觀察相關(guān)神經(jīng)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)慢性幻肢痛截肢患者在想象幻肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，與殘肢皮質(zhì)相關(guān)的感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域有較強(qiáng)激活。這表明慢性幻肢痛與殘肢所保持的功能相關(guān)性不能通過慢性非疼痛幻覺、殘肢或假肢的補(bǔ)償性使用的經(jīng)驗(yàn)來解釋。這些研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)殘肢表象和慢性幻肢痛之間可能的關(guān)系。今后的研究需要進(jìn)一步探究來自殘肢的外周輸入成分的作用，以更好了解慢性幻肢痛的潛在機(jī)制。

治療幻痛的方法，如鏡像療法，也可以幫助感覺重組[35]。Tung等[36]讓雙側(cè)截肢幻肢痛患者觀察技師肢體運(yùn)動(dòng)，并囑患者模仿該運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)疼痛得到緩解。Morgan等[37]發(fā)現(xiàn)，截肢術(shù)后盡早使用假肢有利于改變對疼痛的記憶，達(dá)到預(yù)防和治療幻肢痛的作用，但也有患者在出現(xiàn)幻肢痛后繼續(xù)使用假肢，疼痛程度反而加重。

4 截肢者大腦運(yùn)動(dòng)命令的偏側(cè)化

全腦頭皮腦電圖(electroencephalogram,EEG)的使用，使我們能夠評估大腦半球的偏側(cè)化在運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)計(jì)劃和執(zhí)行中的模式，這個(gè)模式可以揭示與截肢者殘肢康復(fù)有關(guān)的神經(jīng)可塑性。Gagné等[38]發(fā)現(xiàn)，上肢截肢后，殘存肌肉在大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)投射代表區(qū)并不總是橫向擴(kuò)展轉(zhuǎn)移，也并不總是表現(xiàn)出在初級運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)投射面積增大。

在一項(xiàng)需要使用勞動(dòng)工具的運(yùn)動(dòng)任務(wù)中，實(shí)驗(yàn)者比較使用依靠遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的工具(如剪刀)與依靠近端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的工具(如鋸子)時(shí)大腦皮質(zhì)活動(dòng)，研究結(jié)果表明，右利手者在近端關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)劃時(shí)需要激活大腦左側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)和頂下小葉區(qū)。在不適應(yīng)假肢的優(yōu)勢手臂截肢者中，行為適應(yīng)所產(chǎn)生的單手行為可能為非優(yōu)勢手臂提供機(jī)會(huì)顯示全新的大腦半球偏側(cè)化模式。Williams等[39]將截肢前為右利手的右臂截肢者與右利手和左利手的正常受試者進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，截肢者在使用殘肢進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，對側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)被激活，在頂葉皮質(zhì)區(qū)產(chǎn)生有明顯特征的α和β波；在使用左臂時(shí)，激活模式與使用左臂的右利手者相似。表明患者健側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，對側(cè)大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)激活與正常人基本一致；但在患側(cè)“運(yùn)動(dòng)”時(shí)，對側(cè)大腦的激活明顯不同，這種差異可能代表了大腦皮質(zhì)不同區(qū)域在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)控制等方面的功能情況。

5 展望

截肢后神經(jīng)變化的復(fù)雜性可能會(huì)對運(yùn)動(dòng)計(jì)劃、執(zhí)行和學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。是否可以利用神經(jīng)可塑性來理解治療方法和技術(shù)具有重要價(jià)值。有證據(jù)表明，神經(jīng)可塑性和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)可能會(huì)在沒有來自假肢的恢復(fù)性感覺反饋的情況下發(fā)展。神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)工程和臨床協(xié)作可能有助于截肢者的康復(fù)。

有關(guān)上肢截肢者大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)的相關(guān)研究還較少，上肢截肢者殘肢或假肢的運(yùn)動(dòng)控制與學(xué)習(xí)神經(jīng)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。