健康志愿者雙下肢本體感覺激活相關(guān)腦功能中樞分布特點的BOLD-fMRI研究

李佳慧 張萍淑 元小冬 周立富 張亞杰 劉業(yè)松

華北理工大學附屬開灤總醫(yī)院 河北唐山 063000；①河北省神經(jīng)生物機能重點實驗室

本體感覺是一種感官合集，傳達有關(guān)身體狀態(tài)及其與環(huán)境的物理相互作用信息，分為中樞性和外周性。中樞性本體感覺又稱深感覺，是指來自肌、腱、關(guān)節(jié)等的位置覺、運動覺和振動覺；外周性本體感覺在傳導(dǎo)通路中傳導(dǎo)皮膚的精細觸覺[1]。腦卒中后發(fā)生本體感覺受損可導(dǎo)致嚴重的運動缺陷,其功能恢復(fù)是腦卒中后運動功能和預(yù)后的重要因素[2]。本體感覺中樞涉及大腦中感覺運動區(qū)域的廣泛網(wǎng)絡(luò),與運動控制密切相關(guān),目前對這種感覺的研究較少[3]。磁共振腦功能成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技術(shù)具有無輻射、無需外源性放射示蹤劑、可以反復(fù)多次操作等較多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于腦功能定位研究[4]。血氧水平依賴法(BOLD)是fMRI技術(shù)的理論基礎(chǔ)，為腦功能研究提供了定性、定量、動態(tài)的綜合信息。本研究通過在BOLD-fMRI下對正常成人雙下肢脛神經(jīng)進行電刺激產(chǎn)生踇趾被動運動激活本體感覺傳導(dǎo)通路，觀察其涉及到的大腦網(wǎng)絡(luò)，為腦卒中或腦損傷后本體感覺康復(fù)的神經(jīng)刺激治療提供潛在靶點，提供潛在腦機接口本體反饋位點，為臨床個體化康復(fù)治療方案制定及身體恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 對象與方法

1.1研究對象 應(yīng)用前瞻性研究方法，在2018年03月～2019年10月期間選取10位健康成人志愿者為研究對象，影像學檢查均無異常，近期無用藥史，受試部位無感染及外傷史。其中男5例，女5例，年齡24～51歲，平均(31.0±9.4)歲。試驗前12小時避免食用任何含酒精飲料。在試驗之前告知所有受試者試驗?zāi)康呐c注意事項，并簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)采集 使用NeuroCare-C肌電圖誘發(fā)電位儀對所有受試者雙下肢脛神經(jīng)電刺激以產(chǎn)生踇趾被動運動激活本體感覺傳導(dǎo)通路，在給予雙下肢脛神經(jīng)刺激電流閾值(somatosensory evoked potential current threshold, SEPCT)的電刺激，以激活本體感覺傳導(dǎo)通路的同時對受試者進行全腦BOLD-fMRI掃描。

1.2.2SEPCT檢測 受試者取仰臥位，清潔受試部位，使電極與皮下組織間的阻抗<5KΩ。由同一位專業(yè)技師使用肌電圖誘發(fā)電位儀將刺激器置于距離遠端內(nèi)踝后2～3cm處，采用雙下肢脛神經(jīng)交替刺激模式。皮層接收電極按腦電圖學會制定的10-20系統(tǒng)放置，記錄電極為Cz'點，參考電極為Fz點；同側(cè)下肢的腘點放置記錄電極、膝點放置參考電極各1個。刺激方式采用頻率5.1Hz、寬度0.3ms的方波刺激，強度以踇趾產(chǎn)生微弱被動運動為宜，信號平均疊加500～1000次，并出現(xiàn)穩(wěn)定、可辨識的本體感覺誘發(fā)電位波形，分別記錄雙下肢的SEPCT。

1.2.3磁共振成像(MRI)數(shù)據(jù)采集 采用GE Signa TwinSpeed 1.5T磁共振成像系統(tǒng)，Signa 1.5T正交發(fā)射/接收頭線圈。定位像與解剖像的掃描：先掃描定位像及興趣中樞部位基礎(chǔ)解剖圖，再進行全腦T1WI、快速擾相梯度回波序列(FSPGR)、3D成像、單激發(fā)多時相平面梯度回波EPI序列掃描成像。BOLD-fMRI技術(shù)主要序列及其參數(shù)：采用T2WI梯度回波脈沖序列，單激發(fā)多時相回波平面成像(EPI)，取軸面，平行于前后聯(lián)合線，定位掃描18層，單次采集，重復(fù)時間(TR)3000ms，回波時間(TE)60ms，反轉(zhuǎn)角90°，視野為24cm×24cm，層厚5mm，間隔1.5mm，頻率編碼方向為R/L。

1.2.4Block組塊刺激模式 受試者安靜仰臥于掃描床上，用楔形硬海綿固定頭部。由同一個專業(yè)技師操控肌電圖誘發(fā)電位儀釋放刺激閾值電流。掃描期間受試者手握報警皮球，若感到不適按壓皮球即終止試驗。BOLD-fMRI掃描時間共為8分鐘，采用倒計時方式，計時開始時分別給予左、右下肢脛神經(jīng)SEPCT刺激(產(chǎn)生踇趾被動運動激活本體感覺傳導(dǎo)通路，運動范圍約1cm左右)，持續(xù)60秒，靜止60秒，重復(fù)4次。刺激模式流程圖見圖1。

圖1 刺激模式流程圖

1.3圖像處理 在Matlab 2016平臺上應(yīng)用SPM12(Statistical Parametric Mapping)腦功能成像數(shù)據(jù)分析軟件對掃描數(shù)據(jù)進行處理。包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、Realign(頭動校正)、Coregister(配準)、Normalise(空間標準化)、Smooth(平滑)、Specify 1st-lever(建立模型)、Estimate(參數(shù)估計)，以Results產(chǎn)生激活區(qū)坐標，通過GingerALE2.3.6軟件使SPM所得MNI坐標轉(zhuǎn)換為標準Talairach坐標，利用Talairach Client 2.4軟件查看具體解剖位置。

2 結(jié)果

本研究受試者均順利完成試驗，左、右側(cè)脛神經(jīng)刺激電流分別為(23.60±5.04)mA、(25.70±2.05)mA，差異無統(tǒng)計學意義(t=-1.157，P=0.262)。激活的腦區(qū)包括初級運動皮層(BA4)，前運動皮層/輔助運動區(qū)(BA6/8)，體感聯(lián)合皮層(BA5/7)，體感皮層(BA3/2)，前額葉皮層(BA9/10/11)，島葉(BA13)，初級視皮層(BA17)，視覺聯(lián)合皮層(BA18/19)，次級體感皮層(BA40)，顳中回(BA21/38)，顳上回(BA22)，邊緣葉前扣帶(BA32)，額下回(BA45/47)，小腦，豆狀核/殼核及丘腦等部位。具體激活情況、例數(shù)見表1，圖2。

圖2 正常成人左、右下肢本體感覺激活相關(guān)腦功能皮質(zhì)中樞整體情況注：(a)為左下肢；(b)為右下肢

表1 健康志愿者本體感覺刺激激活相關(guān)腦皮層中樞區(qū)的BOLD-fMRI掃描結(jié)果

3 討論

本體感覺信息通過兩個系統(tǒng)傳至大腦，一是本體感覺神經(jīng)元中樞突進入脊髓同側(cè)后索，組成薄束和楔束升至延髓后交叉形成內(nèi)側(cè)丘系，再經(jīng)腦橋、中腦到丘腦腹后外側(cè)核，最后投射到皮層體感區(qū)；二是以小腦為終點的本體感覺信息通過后脊髓小腦(下肢)和楔小腦(上肢)束進入脊髓，并通過同側(cè)小腦腳進入脊髓小腦。小腦水平的本體感覺信息用于調(diào)整姿勢和直線運動，而本體感覺信息的更高水平處理發(fā)生在頂葉皮質(zhì)等皮層區(qū)域。目前國內(nèi)外有關(guān)fMRI的報道較多,但大多局限于上肢運動,其中以主動運動研究居多,被動運動研究很少[5-6]。

本研究在BOLD-fMRI下對正常成人雙下肢脛神經(jīng)電刺激產(chǎn)生踇趾被動運動激活本體感覺傳導(dǎo)通路從而觀察相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)的激活,結(jié)果發(fā)現(xiàn)本體感覺相關(guān)中樞主要位于額葉(中央后回、輔助運動區(qū))、頂葉(超邊緣回)、顳葉、枕葉(楔前葉)、腦島、小腦等部位；且具有明顯右半球偏側(cè)性。Winckel、Julio等應(yīng)用fMRI技術(shù)通過健康受試者食指被動運動，發(fā)現(xiàn)楔前葉、上頂葉回、頂內(nèi)溝、超邊緣回、輔助運動區(qū)以及背側(cè)和腹側(cè)前運動皮層等相關(guān)腦區(qū)的激活，本研究結(jié)果與其大致相同[7-8]。研究表明，中央后回、頂葉(上頂葉、下頂葉)、顳橫回、島葉與本體感覺中位置覺有關(guān)，中央后回、超邊緣回、島葉、顳上回和頂葉島蓋與運動覺相關(guān)，本研究中均可見相關(guān)位點的激活[9-10]。超邊緣回是頂骨關(guān)聯(lián)區(qū)域的一部分，fMRI研究發(fā)現(xiàn)，超邊緣回在健康受試者和腦卒中受試者手部位置認知中起重要作用[11]。本研究采用刺激雙下肢激活本體感覺模式，同樣具有超邊緣回的激活，表明超邊緣回在腳部位置認知中同樣存在重要作用。

本研究表明，在刺激下肢的左或右脛神經(jīng)激活本體感覺中樞的同時，還激活了邊緣系統(tǒng)、視覺聯(lián)合皮層等相關(guān)中樞，以產(chǎn)生對刺激源形態(tài)特征的識別、躲避反應(yīng)以及情緒、認知、記憶等多方面的活動變化。已有研究證實，感覺信息的輸入能夠在顳頂聯(lián)合區(qū)皮層產(chǎn)生反應(yīng)，即觸覺刺激可以激活聽覺皮層，感覺皮層與聽覺皮層、視覺皮層之間均存在單向或雙向的神經(jīng)纖維投射，表明本體感覺涉及的傳導(dǎo)通路涉及顳中回等其他中樞，并將其作用擴展到聽覺空間定位之外[12]。本研究中激活的島葉、扣帶回、殼核/尾狀核、丘腦等部位，也是痛覺中樞和負責視覺忽視的大腦區(qū)域， 因此本研究中本體感覺中樞激活的同時可能并存痛覺、視覺忽視等相關(guān)中樞的激活[13-15]。

本研究樣本量較少，通過對受試者雙下肢脛神經(jīng)電刺激以產(chǎn)生踇趾被動運動激活本體感覺傳導(dǎo)通路來觀察本體感覺中樞所涉及的大腦網(wǎng)絡(luò)，有待進一步擴大樣本量研究。以此為基礎(chǔ)與腦卒中患者本體感覺相關(guān)皮質(zhì)中樞激活的情況作對比，進一步發(fā)現(xiàn)本體感覺中樞受損后的腦功能代償重組與臨床行為的關(guān)系，對腦卒中患者的康復(fù)治療具有理論指導(dǎo)意義。

綜上所述,雙下肢本體感覺通路激活了初級運動皮層、輔助運動區(qū)、體感聯(lián)合皮層、前額葉皮層、島葉、初級視皮層、次級體感皮層、顳中回、小腦及丘腦等主要腦區(qū)，并協(xié)同激活邊緣系統(tǒng)、視覺聯(lián)合皮層等中樞。