運(yùn)動想象對脊髓損傷患者大腦活動和腦網(wǎng)絡(luò)重塑MR研究進(jìn)展

王 玲，陳 楠*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院放射科，北京 100053；2.北京磁共振成像和腦信息學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053)

運(yùn)動想象(motor imagery, MI)是指不伴有任何實(shí)際運(yùn)動的意識執(zhí)行過程，已在運(yùn)動技能學(xué)習(xí)和運(yùn)動康復(fù)方面顯示出巨大潛力[1-4]，并作為腦機(jī)接口(brain-computer interface， BCI)的基礎(chǔ)為癱瘓患者帶來希望。目前認(rèn)為MI可產(chǎn)生類似于運(yùn)動執(zhí)行(motor execution， ME)的大腦激活和大腦連接模式，從而促進(jìn)提高運(yùn)動功能[5-6]，但現(xiàn)有研究主要集中于正常人，對功能障礙如脊髓損傷(spinal cord injury， SCI)后大腦激活和網(wǎng)絡(luò)連接變化以及對運(yùn)動功能康復(fù)影響的機(jī)制研究較少。本文就MI對SCI患者腦功能重塑的功能MR研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在揭示MI在SCI康復(fù)中的作用機(jī)制,為MI在SCI運(yùn)動功能康復(fù)治療及未來BCI研究中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 MI理論模型和應(yīng)用

MI是意識執(zhí)行動作過程，不伴隨顯式肢體運(yùn)動，即在無任何運(yùn)動輸出的情況下，根據(jù)運(yùn)動記憶在大腦中激活某一活動的特定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動技能的提高[7]。MI安全、有效、無成本、可反復(fù)無限制應(yīng)用，已廣泛用于體育運(yùn)動[8]、音樂[9]等領(lǐng)域，并取得良好效果。近年來，MI療法開始用于中樞神經(jīng)及周圍神經(jīng)疾病引起的運(yùn)動功能障礙的康復(fù)治療，在腦卒中、帕金森綜合征和SCI等疾病的康復(fù)治療中起到重要作用[3]。

有關(guān)MI在提高正常人的運(yùn)動能力和患者運(yùn)動康復(fù)作用中的機(jī)制尚不清楚，目前認(rèn)為MI是一個綜合感覺、運(yùn)動、認(rèn)知過程的心理模擬現(xiàn)象，主要有心理神經(jīng)肌肉理論(外周理論)和中央理論。前者認(rèn)為MI與ME所誘發(fā)的神經(jīng)肌肉活動一致，即兩者具有相同的運(yùn)動神經(jīng)通路，基于個體中樞神經(jīng)系統(tǒng)已儲存了進(jìn)行運(yùn)動的“流程圖”或運(yùn)動安排，假設(shè)ME時(shí)所涉及的運(yùn)動流程圖與MI時(shí)所涉及的流程圖相同，則在MI過程中該流程圖即有可能得到強(qiáng)化和完善[10]。后者則認(rèn)為MI是大腦控制中心驅(qū)動了一個“仿真器”模擬執(zhí)行了身體的動作，同時(shí)斷開了大腦內(nèi)正?？刂萍∪饣顒拥妮敵鐾穂11]，即下行傳導(dǎo)通路。其他理論還包括生物訊息理論、三重編碼理論及符號學(xué)習(xí)理論，均難以完全解釋MI對運(yùn)動能力的提升及康復(fù)機(jī)制。

隨著功能MR技術(shù)的發(fā)展，近年來，各種任務(wù)活動引起大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變均可得到客觀、真實(shí)的再現(xiàn)[12-13]，為研究MI的機(jī)制提供了可靠手段。MI屬于任務(wù)態(tài)功能，實(shí)施過程中必然會導(dǎo)致特定腦活動區(qū)發(fā)生改變，引起相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變化，因此對MI所引起的腦活動和腦網(wǎng)絡(luò)重塑研究將可能明確MI的運(yùn)動康復(fù)機(jī)制。

2 基于MI的關(guān)鍵腦區(qū)及腦網(wǎng)絡(luò)的功能MR研究進(jìn)展

2.1 MI時(shí)大腦功能區(qū)重塑的研究

2.1.1 正常人MI與ME時(shí)大腦功能活動的變化 目前已有較多針對正常人MI時(shí)腦激活改變的研究，以揭示MI提高正常人特別是運(yùn)動員運(yùn)動能力的機(jī)制。研究[3,7,14-15]認(rèn)為,健康人進(jìn)行MI時(shí)，其大腦的激活區(qū)域與ME具有類似改變，主要包括初級運(yùn)動皮層(primary motor cortex,M1)、輔助運(yùn)動區(qū)(supplementary motor area, SMA)、背側(cè)前運(yùn)動皮層(dorsal premotor cortex, PMD)、腹側(cè)前運(yùn)動皮層(ventral premotor cortex， PMV)、頂下小葉(inferior parietal lobule, IPL)、小腦、背側(cè)前額葉(dorsolateral prefrontal cortex, PFC)以及緣上回(supramarginal gyrus， SMG)。這些相似的腦功能區(qū)改變揭示了MI與ME具有相似的運(yùn)動調(diào)節(jié)作用，從而起到與ME類似的鍛煉效果。但健康人MI和ME對大腦的激活也有不同，在同一任務(wù)中，控制MI和ME的大腦網(wǎng)絡(luò)是分層組織的，與MI相比，ME過程中腦運(yùn)動區(qū)域的激活程度更高[16]，MI時(shí)對初級運(yùn)動和軀體感覺皮層的激活強(qiáng)度僅約為ME時(shí)的30%～50%[17]。產(chǎn)生這些差異的主要原因是MI條件下缺乏明顯運(yùn)動，故而缺少與運(yùn)動相關(guān)的其他反饋。除腦激活程度不同之外，MI與ME的激活腦區(qū)亦有不同，ME時(shí)主要激活M1以及初級和次級感覺皮層，而MI除激活M1、SMA與運(yùn)動相關(guān)的腦區(qū)外，還激活額葉視區(qū)等與認(rèn)知相關(guān)的腦功能區(qū)[18]，說明MI涉及一些高級認(rèn)知活動，可能是一個綜合感覺、運(yùn)動及認(rèn)知的心理過程。

2.1.2 SCI患者與健康人MI時(shí)對大腦激活的差異 有學(xué)者[19]認(rèn)為由于MI取決于當(dāng)前執(zhí)行運(yùn)動任務(wù)的具體身體能力水平，SCI患者的MI能力可能下降；但目前已有針對SCI患者M(jìn)I的研究均通過MI問卷評分(KVIQ20/KVIQ10≥25)證實(shí)SCI后保留了MI的能力[3,5-6,20-21]，提示MI訓(xùn)練在SCI患者康復(fù)治療中有一定潛力。

SCI后，上下行傳導(dǎo)纖維不同程度受損，大腦傳入、傳出神經(jīng)信息障礙，患者M(jìn)I時(shí)與健康人腦功能激活區(qū)是否類似尚不可知。由于M1是運(yùn)動中樞，而MI是不伴有任何實(shí)際運(yùn)動的意識執(zhí)行過程，理論上不應(yīng)該發(fā)生M1腦激活，但一些研究[7,15]發(fā)現(xiàn)，SCI患者和健康人MI時(shí)均有M1激活，且MI時(shí)SCI患者M(jìn)1的激活強(qiáng)度明顯高于健康人，甚至高于健康人ME時(shí)M1的激活程度，可能是由于MI時(shí)健康人直接或間接連接脊髓的區(qū)域被積極抑制，從而阻礙了運(yùn)動系統(tǒng)的有效激活；而SCI后不需要任何運(yùn)動抑制，故未發(fā)現(xiàn)這種激活減少[7]。另外也可能是SCI后上下行傳導(dǎo)障礙，軀體感覺運(yùn)動反饋長期缺乏，導(dǎo)致皮質(zhì)功能的可塑性改變，而皮質(zhì)內(nèi)抑制作用的減少與這種可塑性變化有關(guān)，導(dǎo)致SCI患者M(jìn)1的激活程度明顯增高[7]。在去傳入動物模型中發(fā)現(xiàn)的皮質(zhì)抑制快速丟失的證據(jù)進(jìn)一步支持了SCI患者潛在皮質(zhì)興奮性的概念[22]。也有研究[3]認(rèn)為SCI患者與健康受試者M(jìn)I期間均無M1的激活，M1缺失可能是由于SMA對M1的抑制作用。已有功能MRI研究結(jié)果中有關(guān)MI時(shí)M1是否直接參與運(yùn)動控制仍存爭議，可能與技術(shù)和個體化因素等有關(guān)。如大量與MI相關(guān)的腦電圖研究均發(fā)現(xiàn)MI可增加M1的興奮性[23-24]，但由于功能MRI技術(shù)時(shí)間分辨率較低，難以捕捉到可用腦電圖評估的興奮/抑制過程中的快速變化；Dechent等[25-26]報(bào)道，在M1無群體激活的研究中，單個受試者分析清楚顯示部分參與者M(jìn)I期間存在M1激活，即個體差異也可能對MI時(shí)腦區(qū)激活情況產(chǎn)生影響。此外，也有研究認(rèn)為MI時(shí)M1激活可能是由于受試者肌肉收縮而不是MI本身所致[27]。

一些研究[7,14-15]還發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，SCI患者在MI任務(wù)中顳上回、前額葉和頂葉區(qū)的活動增強(qiáng)。顳上回主要參與運(yùn)動模仿及聽覺注意力[14]，前額葉主要參與記憶、判斷、分析、思考、操作等復(fù)雜的認(rèn)知功能，且頂葉皮層已從視覺引導(dǎo)運(yùn)動任務(wù)作用擴(kuò)展到了感官信息整合，以保持注意力集中等更高的認(rèn)知和運(yùn)動功能，說明由于感覺運(yùn)動功能障礙， SCI患者在MI時(shí)可能需要更多認(rèn)知情感的參與[28]。

2.1.3 SCI患者M(jìn)I與ME時(shí)大腦功能活動的研究 最近一項(xiàng)針對不完全SCI患者的研究[3]發(fā)現(xiàn)其在執(zhí)行MI任務(wù)時(shí)出現(xiàn)了與ME任務(wù)類似的腦激活區(qū)，包括SMA、背外側(cè)前額葉皮層、PMC、IPL、小腦小葉VI和前島葉，這些激活腦功能區(qū)的共同特征均與運(yùn)動的準(zhǔn)備和執(zhí)行密切相關(guān)，說明即使對于下行傳導(dǎo)功能受損的SCI患者，MI對其康復(fù)訓(xùn)練亦具有與ME相同的作用。

但SCI患者M(jìn)I和ME之間也存在不同。不完全SCI患者在MI任務(wù)時(shí)其SMA、額中回、小腦、中央旁小葉等大腦運(yùn)動相關(guān)區(qū)域激活程度和強(qiáng)度均較ME時(shí)顯著減低，但前島葉、顳上回、前額葉和頂葉等與認(rèn)知、情感、心理相關(guān)的腦區(qū)活動增強(qiáng)[7,14-15]。不完全SCI患者在ME時(shí)運(yùn)動相關(guān)區(qū)域的激活強(qiáng)度較健康對照組增高，但與認(rèn)知相關(guān)的腦區(qū)，尤其是參與運(yùn)動注意、運(yùn)動規(guī)劃和運(yùn)動編碼的頂下小葉和SMG的激活卻顯著降低；而在MI時(shí)其與健康對照組的認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)的激活卻無顯著差異，提示SCI患者M(jìn)I對腦的激活并非經(jīng)運(yùn)動傳導(dǎo)所致，而是由ME前的一些高級心理活動所直接引起，這為揭示BCI機(jī)制及其在運(yùn)動康復(fù)中的機(jī)制提供了理論依據(jù)。

2.2 MI腦功能網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展 眾所周知，大腦即便執(zhí)行簡單的運(yùn)動和/或認(rèn)知任務(wù)，也需要多個皮層區(qū)域的參與，這些皮層區(qū)域相互聯(lián)系，并通過軸突可塑性進(jìn)行遠(yuǎn)程交換信息。這些腦區(qū)空間定位在不同位置的腦皮層區(qū)域，只有通過整合作用才能共同完成這一功能。MI可能是一個綜合感覺、運(yùn)動、認(rèn)知過程的心理模擬現(xiàn)象，隨著對腦網(wǎng)絡(luò)變化研究的深入，將進(jìn)一步揭示其腦功能機(jī)制。

目前已有學(xué)者開始應(yīng)用功能MR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀察正常人MI[29]，發(fā)現(xiàn)MI網(wǎng)絡(luò)中靜息態(tài)功能連接較高區(qū)域?yàn)镸I任務(wù)時(shí)比ME任務(wù)時(shí)激活較強(qiáng)的區(qū)域，包括SMA、感覺運(yùn)動皮層、中央島蓋皮層、顳上回、M1以及右側(cè)PMD，這或許代表了MI區(qū)別于ME的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，且腦區(qū)間緊密的功能聯(lián)系揭示了健康人MI腦功能網(wǎng)絡(luò)間的功能整合及交互作用的神經(jīng)機(jī)制，可能為探索SCI康復(fù)治療后MI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重塑機(jī)制提供新的途徑。

3 MI對于SCI患者康復(fù)的作用

MI與ME對大腦的運(yùn)動區(qū)域有類似的激活作用，并且簡便、安全、可重復(fù)，正逐步用于SCI后患者康復(fù)治療。目前已有大量臨床病例證實(shí)MI對SCI后運(yùn)動康復(fù)具有較好作用[21,30]，且通過MI訓(xùn)練，患者大腦結(jié)構(gòu)可發(fā)生相應(yīng)重塑，如SCI患者在MI康復(fù)治療后，其運(yùn)動性能提高與大腦雙側(cè)海馬、對側(cè)枕中回、顳極、胼胝體、顳中回、梭狀回以及腦干、小腦等運(yùn)動相關(guān)區(qū)域體積增加有關(guān)[30]，進(jìn)一步表明這些結(jié)構(gòu)上的改變可能作為增強(qiáng)下肢神經(jīng)康復(fù)的神經(jīng)影像學(xué)生物標(biāo)志物。同時(shí)，MI雖然有利于SCI患者運(yùn)動功能恢復(fù)，但也可能導(dǎo)致或加重病理性損害，如神經(jīng)性疼痛[22,31]。研究[22]認(rèn)為MI誘發(fā)疼痛可能與背外側(cè)前額皮質(zhì)、前扣帶皮層、輔助前額葉、雙側(cè)前島葉、PMC等與認(rèn)知、情感的腦功能區(qū)發(fā)生變化相關(guān)。因此，明確MI機(jī)制，制定合理的MI康復(fù)計(jì)劃，對提高運(yùn)動康復(fù)和有效減輕病理性損傷具有重要意義。

總之，對于SCI患者，MI除與ME具有類似腦功能改變外，還與認(rèn)知、情感等腦功能區(qū)的活動密切相關(guān)，但目前對其神經(jīng)機(jī)制仍不十分清楚。深入研究MI康復(fù)機(jī)制、特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將為運(yùn)動功能障礙患者的康復(fù)治療提供依據(jù)，并為以MI為基礎(chǔ)的BCI研究提供理論基礎(chǔ)。