fMRI觀察電刺激麻木感對正常人中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響

魯學婷，王海寶，方 杰，徐麗艷，劉 飛

(安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院放射科，安徽 合肥 230022)

麻木感是機體的一種感覺障礙，可分為2類，其一為生理性麻木感，主要由于身體某一部位神經(jīng)較長時間受壓及血液供給障礙引起，如長時間下蹲導(dǎo)致的下肢麻木、手腳位置不當?shù)萚1]，大多歷時短暫，解除壓迫狀態(tài)后迅速消失；另一類為由神經(jīng)障礙、循環(huán)障礙等疾病引起的病理性麻木感，大多長時間存在，待原發(fā)病治愈后方可消失。MRI現(xiàn)已廣泛用于研究針刺效應(yīng)的腦機制[2]。本研究采用功能MRI(functional MRI, fMRI)觀察電刺激肢體產(chǎn)生麻木感時大腦皮質(zhì)激活情況，探討電刺激麻木感對正常人腦功能的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 招募22名健康志愿者，男、女各11名，均為右利手，年齡24～30歲，平均(26.0±1.8)歲；大學本科及以上學歷，無相關(guān)神經(jīng)及精神疾病史，無家族遺傳性疾病史，無近期服用影響大腦功能藥物史。本研究經(jīng)安徽醫(yī)科大學倫理委員會批準(20190474)。

1.2 儀器與方法 采用深圳奧泊康公司生產(chǎn)的CL-105脈沖電刺激儀，于受試者右側(cè)內(nèi)外腳踝上方裸露皮膚貼敷約3.5 cm×4.0 cm電極片，接通電源后先進行預(yù)試驗，對受試者施以低頻率(400 Hz)及高頻率(1 200 Hz)2種不同頻率電刺激，使其適應(yīng)麻木感強度，并對不同電刺激頻率進行麻木感評分和效價評分。麻木感評分：電刺激時感覺麻木感很強為9分，中度麻木感為5分，未出現(xiàn)麻木感為1分。情緒效價評分：感覺舒適、享受為9分，感覺中立(無舒適或不適感)為5分，感覺不適為1分。

采用Philips Ingenia 3.0T MR儀、頭顱線圈采集顱腦MRI。掃描參數(shù)：3D-T1W，采用梯度回波序列進行矢狀位掃描，TE 2.9 ms，TR 6.5 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，F(xiàn)A 9°，矩陣256×256，層數(shù)211，層厚1 mm，層距0 mm；任務(wù)態(tài)血氧水平依賴性fMRI(blood oxygenation level-dependent fMRI, BOLD-fMRI)，采用回波平面成像脈沖序列行全腦軸位掃描，掃描層面平行于前后聯(lián)合連線，TR 3 000 ms，TE 30 ms，F(xiàn)A 90°，F(xiàn)OV 217 mm×217 mm，矩陣64×64，層厚3.3 mm，層距0 mm，層數(shù)48，共126個時間點。

任務(wù)刺激采用組塊設(shè)計方法，對每名受試者實施2組任務(wù)程序，同時采集BOLD-fMRI。每組任務(wù)程序包括6個靜息和6個運動組塊。每組前18 s為空白掃描，于第19 s開始，通過分別給予“低頻率電刺激-靜息-高頻率電刺激-靜息……”及“高頻率電刺激-靜息-低頻率電刺激-靜息……”的刺激范式實現(xiàn)第1、2組任務(wù)程序，每個組塊持續(xù)30 s，重復(fù)3次；2組任務(wù)程序之間間隔1 min。見圖1。掃描結(jié)束后，受試者對MR檢查過程中不同頻率電刺激進行麻木感評分和效價評分。

圖1 2組任務(wù)程序的刺激范式 A.第1組； B.第2組 L為低頻率電刺激；H為高頻率電刺激；R為靜息

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計學分析 采用Matlab R2018a和SPM12軟件處理腦功能數(shù)據(jù)；以SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計學分析。計量資料以±s表示。對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去除前18 s的靜息態(tài)圖像、轉(zhuǎn)換圖像格式、頭動校正及圖像標準化等，之后進行配對樣本t檢驗，以激活簇至少達5個像素為有意義的激活腦區(qū)，獲得不同頻率電刺激下腦激活強度存在顯著差異的腦區(qū)，并采用FWE法校正，獲得激活簇峰值的MNI空間坐標及參數(shù)值；以激活腦區(qū)為ROI，采用配對樣本t檢驗比較不同強度電刺激下腦激活區(qū)激活效應(yīng)值的差異。比較低頻率及高頻率電刺激下受試者麻木感及情緒效價評分差異，以線性相關(guān)分析觀察高頻電刺激下麻木感與情緒效價評分的關(guān)系。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 麻木感評分及效價評分比較 低頻率刺激下麻木感為(3.50±0.96)分，高頻率刺激下麻木感(7.27±1.28)分，差異有統(tǒng)計學意義(t=13.18，P<0.01)。低頻率及高頻率刺激下情緒效價評分為(7.13±1.28)分和(3.54±1.40)分，差異有統(tǒng)計學意義(t=10.77，P<0.01)。高頻率電刺激下麻木感與情緒效價評分呈負相關(guān)(r=-0.53，P=0.01)。

2.2 2種電刺激下腦激活強度差異比較 不同電刺激下腦激活強度存在顯著差異的腦區(qū)主要包括左側(cè)島葉頂蓋、左側(cè)中扣帶回、左側(cè)顳葉、右側(cè)頂葉島蓋、左側(cè)中央后回、右側(cè)中央島蓋、右側(cè)島葉后部及左側(cè)丘腦，見表1、圖2。

表1 高頻率電刺激與低頻電刺激激活存在顯著差異腦區(qū)

圖2 不同電刺激下激活存在顯著差異腦區(qū)

2.3 高低頻率電刺激下激活腦區(qū)的激活效應(yīng)值比較 低頻電刺激與高頻電刺激下激活腦區(qū)激活強度差異均有統(tǒng)計學意義，高頻率電刺激下左側(cè)島葉頂蓋、左側(cè)中扣帶回、左側(cè)顳葉、左側(cè)頂葉島蓋、左側(cè)中央后回、左側(cè)中央島蓋、左側(cè)島葉后部及左側(cè)丘腦激活效應(yīng)值均高于低頻率電刺激(t=7.55、6.73、6.69、6.34、5.95、5.90、5.84、5.37，P均<0.05)，見圖3。

圖3 高低頻率電刺激條件下激活腦區(qū)效應(yīng)值比較 A.左側(cè)中央后回； B.左側(cè)中扣帶回； C.左側(cè)丘腦； D.左側(cè)島葉頂蓋

3 討論

肢體麻木感常隨各種疾病發(fā)生，多伴不同程度肢體疼痛及無力等[3]。神經(jīng)受壓、損傷或局部血運障礙等可能導(dǎo)致持續(xù)麻木，嚴重影響工作效率及生活質(zhì)量。BOLD-fMRI是常用fMRI技術(shù)，可觀察血流、血容量和人血紅蛋白氧合之間的相互作用關(guān)系。人在感知外界變化時會激活相關(guān)腦區(qū)，導(dǎo)致磁場信號變化。目前BOLD-fMRI已用于定位運動、感覺及語言等功能區(qū)[4]。

既往疼痛相關(guān)腦功能成像研究[5]較多，卻少見關(guān)于麻木感的fMRI研究報道。直流脈沖電刺激可用于觀察疼痛[6]，根據(jù)不同電流強度誘發(fā)不同等級疼痛感覺，能明顯激活相應(yīng)腦區(qū)，數(shù)據(jù)處理后可獲得較為理想的腦功能激活圖，且易為受試者接受，無明顯不良反應(yīng)。本研究利用電刺激建立正常人麻木感模型，以fMRI顯示麻木感任務(wù)態(tài)中顯著激活的腦區(qū)，結(jié)果顯示低頻率與高頻率電刺激下麻木感評分及效價評分均存在明顯差異，且高頻率電刺激下麻木感與效價評分呈負相關(guān)，提示隨著電流頻率增加，受試者負性情緒亦增加，即2種不同頻率電刺激產(chǎn)生的麻木感帶給人的主觀感覺有明顯差異。

本研究中任務(wù)態(tài)fMRI顯示高頻率電刺激較低頻率電刺激腦激活強度明顯增強的腦區(qū)主要有左側(cè)島葉頂蓋、左側(cè)中扣帶回、左側(cè)顳葉、右側(cè)頂葉島蓋、左側(cè)中央后回、右側(cè)中央島蓋、右側(cè)島葉后部及左側(cè)丘腦[7]。一般淺感覺傳導(dǎo)通路的第一級神經(jīng)元位于脊神經(jīng)節(jié)，第二級神經(jīng)元在脊髓灰質(zhì)后角，最后在丘腦再次更換神經(jīng)元，丘腦是其第三級神經(jīng)元。丘腦是大腦皮層發(fā)達動物的最重要的感覺信息傳導(dǎo)接替站，多數(shù)全身各種感覺的傳入信息均在丘腦更換神經(jīng)元，最終投射到大腦皮層的不同區(qū)域[8]。丘腦只對感覺進行粗略分析與綜合[9]，淺感覺傳導(dǎo)更換神經(jīng)元后上行至內(nèi)囊，最后投射到大腦軀體感覺區(qū)。中央后回是大腦皮質(zhì)的軀體感覺區(qū)，接替丘腦傳來的信息，其投射的是對側(cè)體表的軀體感覺[7]。本研究發(fā)現(xiàn)電刺激下丘腦和中央后回均被激活，證實麻木感于丘腦更換神經(jīng)元后投射到中央后回。扣帶回位于胼胝體上方，是邊緣系統(tǒng)的組成部分，前扣帶回包含扣帶回中部，與人類認知執(zhí)行及情緒處理等密切相關(guān)，其對情緒、感覺、運動和認知信息有獨特的處理方式，整合多種來源的傳入，包括動機形成、錯誤預(yù)估以及認知和情感網(wǎng)絡(luò)再現(xiàn)等[10]。產(chǎn)生麻木感時，前扣帶回被激活，推測麻木感可能對大腦認知等功能造成影響。麻木感在丘腦轉(zhuǎn)換神經(jīng)元，傳遞至前扣帶回介導(dǎo)情緒，這些結(jié)構(gòu)的功能可能是將麻木感與認知信息、情緒信息及學習記憶聯(lián)系起來。島葉的功能十分復(fù)雜，近年研究[11]發(fā)現(xiàn)島葉與情緒、成癮及痛覺調(diào)節(jié)等有關(guān)。MISKOWIAK等[12]發(fā)現(xiàn)島葉不僅可識別厭惡情緒，其本身即與產(chǎn)生厭惡情緒密切相關(guān)，且其產(chǎn)生的厭惡情緒具有選擇性。有學者[13]指出，島葉可能并不直接產(chǎn)生厭惡情緒，而是在產(chǎn)生各種情緒后選擇性保留厭惡情緒。島葉亦與成癮密切相關(guān)，fMRI研究[14]發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成癮青少年與正常青少年左側(cè)島葉存在明顯差異；而香煙成癮者島葉損傷后煙癮程度有所下降[8]，酒精成癮者雙側(cè)島葉fMRI激活強度明顯大于非成癮者[15]，提示島葉對于成癮形成具有重要地位。產(chǎn)生麻木感島葉激活，原因可能在于對這種感覺產(chǎn)生了厭惡情緒，亦有可能成癮。軀體疼痛可激活島葉，目前對于后者在麻木感和疼痛調(diào)控中的具體作用機制是否相同尚不明確。電刺激產(chǎn)生麻木感時，顳葉亦被激活，顳葉是聽覺中樞，可能患者在麻木感中出現(xiàn)幻聽；另外，顳葉還與記憶、情緒等有關(guān)，提示顳葉可能參與情緒分析。

綜上所述，電刺激產(chǎn)生麻木感與左側(cè)島葉頂蓋、左側(cè)中扣帶回、左側(cè)顳葉、右側(cè)頂葉島蓋、左側(cè)中央后回、右側(cè)中央島蓋、右側(cè)島葉后部及左側(cè)丘腦激活有關(guān)；組塊設(shè)計BOLD-fMRI可用于檢測麻木感相關(guān)腦區(qū)活動，有助于揭示麻木感產(chǎn)生的腦機制，為早期診斷及鑒別診斷麻木相關(guān)疾病提供依據(jù)。