吞咽功能磁共振成像的研究進展

吳昊月,羅紅玲，祝樂群，姚谷艷，黃立，萬萍

吞咽涉及幾個生理階段，以及皮層和皮層下的神經(jīng)相互作用。吞咽反射性成分依賴于腦干吞咽中樞。然而，大量的生理證據(jù)表明，大腦皮層不僅在吞咽的起始階段，而且在吞咽的調(diào)節(jié)中起著基礎(chǔ)性作用[1-2]。腦卒中患者的病理生理學(xué)證據(jù)也表明，許多腦區(qū)在控制人類吞咽方面起著重要作用[3]。然而，大腦皮層吞咽網(wǎng)絡(luò)的生理機制尚不完全清楚。利用腦成像技術(shù)，如功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging，fMRI)，對控制吞咽的皮層功能的神經(jīng)解剖表征進行了研究，并在人類身上得到了確認。由于其非侵入性、無輻射、能更精確顯示結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的特點，在臨床中應(yīng)用廣泛。本研究的目的是對吞咽功能磁共振成像研究的國內(nèi)外相關(guān)文獻進行分析總結(jié)。

1 正常人群吞咽的功能磁共振研究

1.1 正常人群不同條件下吞咽激活的大腦區(qū)域

1.1.1 正常人群意志吞咽和反射吞咽激活的大腦區(qū)域 20世紀90年代，開始有研究利用fMRI識別與人類吞咽相關(guān)的皮層活動的研究。Hamdy等[3]觀察10名健康受試者每間隔30s吞咽5ml注入口腔內(nèi)水，發(fā)現(xiàn)在吞咽過程中有多個大腦區(qū)域被激活，最顯著的是初級感覺運動區(qū)、前扣帶回、島葉和前運動皮層(布羅德曼區(qū)域6，8)。在隨后發(fā)表的關(guān)于自主吞咽激活的腦區(qū)域的研究，與此結(jié)果相似[1，4-7]。Kern等[4]在2001年進行的一項研究正常人反射性吞咽和意志性吞咽的隨機對照實驗中發(fā)現(xiàn)，反射性吞咽主要表現(xiàn)在初級感覺運動皮層，而意志性吞咽表現(xiàn)在多個區(qū)域，包括初級感覺運動皮層、島葉、前額葉和前扣帶回、楔前葉區(qū)域。意志性吞咽的激活區(qū)域與Hamdy等[3]的研究結(jié)果具有相似性。研究對象內(nèi)的比較顯示，兩半球在主動吞咽時的活動總量明顯大于反射性吞咽時的活動總量。Martin等[1]第一次研究了無意識狀態(tài)下的唾液吞咽激活區(qū)域。14名健康右利手受試者在三種吞咽激活任務(wù)中掃描：安靜狀態(tài)下無意識吞咽唾液、意志(主動)吞咽唾液、主動吞咽水。無意識唾液吞咽最顯著和一致的激活灶位于左側(cè)中央前回，包括布羅德曼4和6，以及布羅德曼43對應(yīng)的左側(cè)中央后回。其他突出的激活區(qū)域位于右側(cè)中央前回以及右側(cè)島葉。這一項研究發(fā)現(xiàn)表明，即使吞咽不是一種意志行為，皮層機制也可能在調(diào)節(jié)吞咽方面發(fā)揮作用。另外，與無意識唾液吞咽相比，前扣帶皮層尾部的激活和主動吞咽更相關(guān)。2002年fMRI的發(fā)展能夠顯示腦干和頸脊髓核的功能定位[8]，隨后在2003年的一項研究中觀察到意志性吞咽不僅激活皮質(zhì)結(jié)構(gòu)，還會激活小腦以及基底神經(jīng)節(jié)[9]。這些研究一致表明，意志吞咽激活了人類大腦皮層的多個區(qū)域。這些激活灶包括初級感覺運動皮層、前運動皮層，前扣帶回皮質(zhì)、腦島、和楔前葉[1, 4-7]，以及小腦和基底神經(jīng)節(jié)[9]。這些區(qū)域在吞咽運動神經(jīng)中樞控制中的重要作用。另外，自主吞咽的激活腦區(qū)數(shù)量及面積均大于反射性吞咽。

1.1.2 正常人群不同吞咽組件激活的大腦區(qū)域 吞咽是一項復(fù)雜的功能，包括對攝入物質(zhì)的感覺處理，運動計劃，運動執(zhí)行，咀嚼與呼吸之間的協(xié)調(diào)，吞咽過程中的本體感受反饋等[10]。如果按意志進行，還包括認知和注意力處理[11]。有研究報道在吞咽準備過程中，在前扣帶皮層和前運動皮層激活明顯大于吞咽執(zhí)行過程[2，12]。這表明吞咽準備可能是由前扣帶皮層的吻側(cè)區(qū)和中間區(qū)介導(dǎo)的。與吞咽準備相比，在吞咽執(zhí)行過程中，雙側(cè)島葉和左側(cè)背外側(cè)周中心皮層的激活明顯更大[12]。Malandraki等[2]報道了與吞咽準備過程相比，吞咽執(zhí)行過程中初級感覺運動皮質(zhì)激活，許多其他研究也證實了側(cè)周中心皮層內(nèi)吞咽執(zhí)行相關(guān)活動[11，13]。外周感覺輸入對于安全有效的吞咽是必要的。利用短暫空氣脈沖刺激口腔[10]、口咽部外側(cè)扁桃體周區(qū)[14]，可以激活包括初級軀體感覺皮層和丘腦、經(jīng)典運動區(qū)(初級運動皮層、補充運動區(qū)、扣帶回運動區(qū))、島葉和額葉皮層等吞咽相關(guān)運動皮質(zhì)。這些區(qū)域與先前涉及口腔和咽部感覺運動功能(如舌頭運動、咀嚼和吞咽)的皮質(zhì)區(qū)域重疊。另外，Lowell等[10]的研究中發(fā)現(xiàn)盡管空氣脈沖刺激僅在右側(cè)，但發(fā)生雙側(cè)腦活化。因此，在單側(cè)感覺缺失的患者中，應(yīng)用于健康側(cè)的口感覺刺激可能會使雙側(cè)大腦吞咽控制區(qū)域參與。通過口腔感覺刺激干預(yù)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的吞咽障礙患者具有重要意義[10]。研究證明想象吞咽動作和執(zhí)行吞咽動作激活了一個類似的大腦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)[10，15]，包括雙側(cè)中央前后回、額下回、基底神經(jīng)節(jié)、島葉、輔助運動區(qū)和小腦。想象吞咽行為是激活整個大腦吞咽網(wǎng)絡(luò)的一種有效的心理策略，這可能是一種替代和創(chuàng)新的治療吞咽困難的工具，對吞咽障礙的治療有一定的指導(dǎo)意義。

1.1.3 正常人群不同刺激下吞咽激活的大腦區(qū)域 在正常吞咽過程中，會攝入不同質(zhì)地、口味、溫度的食物，同時要接受視覺、味覺、嗅覺和聽覺的刺激。Shibamoto等[16]研究當吞咽固體和水這兩種不同質(zhì)地的物質(zhì)時，吞咽相關(guān)皮質(zhì)區(qū)域激活部位相似，但水激活的體積比固體大。吞咽的皮質(zhì)表征可能因食物類型而異。此外，早期的研究表明，特殊味道(甜味和苦味)可以調(diào)節(jié)人類皮層吞咽運動通路的興奮性[17]，不同的口味、溫度對食管上括約肌開放有不同的影響[18]。Babaei等[19]研究發(fā)現(xiàn)同時進行味覺、嗅覺和視覺刺激可增強皮層吞咽網(wǎng)絡(luò)的活動。Kawai等[20]探究與吞咽運動相關(guān)的視聽刺激激活的大腦區(qū)域，對受試者采用三種與人類吞咽運動相關(guān)的刺激(聽覺、視覺、視聽同時刺激)。僅有聽覺刺激時，補充運動區(qū)域被激活；僅有視覺刺激時，雙側(cè)運動前區(qū)和初級運動區(qū)以及左側(cè)前額葉被激活；當視聽刺激出現(xiàn)時，雙側(cè)前額葉和運動前區(qū)被激活。與吞咽運動相關(guān)的聽覺、視覺和視聽結(jié)合刺激會引起與吞咽運動規(guī)劃和表現(xiàn)相關(guān)的大腦區(qū)域的激活。這些結(jié)果提示對于吞咽困難患者來說，利用更強的味覺、嗅覺和視覺刺激以及和吞咽相關(guān)的視聽覺刺激來增強他們的吞咽功能，可能是一種新的治療方法。

1.2 吞咽皮質(zhì)半球的偏側(cè)性 吞咽活動是否具有優(yōu)勢半球尚存在爭議。大多數(shù)研究都未能發(fā)現(xiàn)用于吞咽的感覺運動皮層的集體側(cè)化，一些受試者在左半球表現(xiàn)出相對較大的激活，而另一些受試者表現(xiàn)在右半球[1，3，11]。但在這些研究中，多數(shù)受試者的初級感覺運動皮質(zhì)的表現(xiàn)出左半球偏側(cè)性[11，21]。與初級感覺運動皮質(zhì)相反，腦島的激活則表現(xiàn)出右半球偏側(cè)性[1，3-4]。除了相同部位左右半球間的差異外，左右半球內(nèi)部不同激活部位也有差異。Kern等[4]研究健康成人意志吞咽和反射吞咽的隨機對照實驗中發(fā)現(xiàn)，左半球內(nèi)部不同激活區(qū)域間差異較明顯，初級感覺運動區(qū)域最大，腦島最小。然而，右半球腦島激活體積與其他部位激活體積之間無統(tǒng)計學(xué)意義上的差異。反射性吞咽時，左半球激活體積更大，意志性吞咽時，右半球激活體積更大。一些研究報道了吞咽準備和執(zhí)行過程中不同的側(cè)移模式[22-24]。Mihai等[24]發(fā)現(xiàn)，大腦活動最初是向左半球偏側(cè)的，隨著時間的推移逐漸向右半球轉(zhuǎn)移，但Toogood等[12]的研究在吞咽任務(wù)的準備和執(zhí)行階段，活動的側(cè)化并沒有發(fā)生明顯的變化。

1.3 不同年齡階段的吞咽功能磁共振成像研究 Hartnick等[25]研究了兒童吞咽行為的皮層活動區(qū)域，包括初級感覺運動皮層、上運動皮層(布羅德曼區(qū)域24)、島葉、額下皮層(布羅德曼區(qū)域44和45)、顳橫回(布羅德曼區(qū)域41和42)、殼核、蒼白球和顳上回(布羅德曼區(qū)域38)，和成人的吞咽皮層網(wǎng)絡(luò)具有相似性。與老年人相關(guān)的吞咽生理變化已被報道，包括咽反射和食管上括約肌開放的延遲[26]，喉運動減少，喉咽敏感性降低[21]。有數(shù)據(jù)報道，高達16%的神經(jīng)健康老人會出現(xiàn)吞咽障礙[15]。Lin等[27]研究發(fā)現(xiàn)在健康老年人中，吞咽效率與小腦灰質(zhì)體積呈正相關(guān)。在老年人中，大腦結(jié)構(gòu)的變化可能在個體吞咽能力的差異中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Martin等[21]研究發(fā)現(xiàn)老年人和年輕人相似，在吞咽過程中可激活多個皮層區(qū)域，最突出的是外側(cè)裂周圍皮層和前扣帶皮層。與吞咽唾液相比，吞咽水激活的腦容量增加了四倍，特別是在右側(cè)運動前區(qū)和前額葉皮質(zhì)中。這可能是隨著年齡增長的口腔感覺運動功能減弱時對吞咽水需要更多的努力[21]。Humbert等[26]對12名年輕人和11名老年人進行了吞咽相關(guān)的fMRI腦活動研究。老年組比年輕組顯示出更多的右側(cè)激活，包括外側(cè)裂周區(qū)和額下回、額中回和額三角部。這項研究中的功能磁共振成像任務(wù)可能對老年人的注意力提出了比年輕人更多的要求。已有的研究表明，老年人在吞咽和控制著不吞咽時的大腦皮層的相關(guān)區(qū)域的活動比年輕人更強烈[26，28]。這可能是因為與年輕人相比，老年人需要更多的努力；也可能是因為，年輕參與者能夠更有效地利用大腦皮層。

2 吞咽障礙人群的功能磁共振成像研究

2.1 腦卒中患者的功能磁共振成像研究 腦卒中后吞咽障礙的機制或吞咽障礙的恢復(fù)機制仍不確定。目前研究表示，左側(cè)或雙側(cè)腦卒中均可引起吞咽困難[29]。與病變部位的大小相比，病變位置似乎在吞咽障礙中起著更重要的作用[30]。Moon等[31]研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致口腔期延遲的病灶有位于左額葉的趨勢。口咽部吞咽困難與腦卒中嚴重程度和腦白質(zhì)病變程度有關(guān)[32]。Mihai等[30]使用事件相關(guān)的fMRI，對18例腦卒中后吞咽困難患者進行了調(diào)查。研究發(fā)現(xiàn)除了對側(cè)初級軀體感覺皮質(zhì)的強烈激活外，患者整個吞咽網(wǎng)絡(luò)的激活均有所下降。此外還發(fā)現(xiàn)，當錐體束損傷較嚴重時，恢復(fù)吞咽似乎與同側(cè)小腦前區(qū)的不對稱激活有關(guān)。Liu等[33]對81例吞咽困難腦卒中患者和78例健康對照者進行Meta分析。與健康對照組相比，吞咽困難的腦卒中患者左側(cè)扣帶回、左中央前回和右后扣帶回出現(xiàn)過度活動，右側(cè)楔葉和左側(cè)額中回低活化。中央前回是運動回路的重要組成部分，在吞咽的誘導(dǎo)和執(zhí)行機制中可能起著核心作用。中央前回的激活增加，可能與神經(jīng)可塑性以及皮質(zhì)功能區(qū)的重建有關(guān)。Li等[29]采用事件相關(guān)fMRI對5例左半球、5例右半球腦卒中吞咽困難患者和10例健康對照者進行檢查。組內(nèi)分析結(jié)果顯示對于中風(fēng)組，左右半球卒中患者均在對側(cè)半球吞咽皮層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過度激活；然而與正常組相比，包括所有中風(fēng)患者都顯示更高的激活。這可能提示單側(cè)卒中后吞咽障礙患者自主吞咽的激活可能需要大腦半球運動皮層的重新組織，或向大腦半球未受影響區(qū)域的激活進行補償性轉(zhuǎn)移，可能與大腦的代償機制有關(guān)。腦卒中吞咽障礙患者不僅吞咽皮層網(wǎng)絡(luò)的活動有所改變，默認模式網(wǎng)絡(luò)和情感網(wǎng)絡(luò)的活動也有所改變。默認模式網(wǎng)絡(luò)區(qū)域(Default-mode network regions，DMN)包括后扣帶回、雙側(cè)角回、腹側(cè)和背側(cè)前額葉、下顳皮質(zhì)、內(nèi)側(cè)顳皮質(zhì)和內(nèi)側(cè)小腦[34]。它涉及許多基本的大腦功能，如情緒狀態(tài)和自我相關(guān)的心理表征[35]。情感網(wǎng)絡(luò)(The affective network，AN)包括杏仁核、腹內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)和后扣帶皮回，它們組成皮質(zhì)邊緣回路。與消極情緒喚起或調(diào)節(jié)有關(guān)，并涉及可能與“自動”和“意志”吞咽有關(guān)的自主神經(jīng)和內(nèi)臟功能。Li等[34]對有12例吞咽困難和12例無吞咽困難的腦卒中患者進行靜息狀態(tài)功能性磁共振成像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，腦卒中患者在AN和DMN中的功能連接降低。此外，與沒有吞咽困難的卒中患者相比，吞咽困難的腦卒中患者的AN和DMN的功能連通性也有所下降。大多數(shù)腦卒中吞咽困難患者通常有一定的負性情緒，AN和DMN回路可能與吞咽困難患者不舒服的狀態(tài)有關(guān)。腦卒中吞咽障礙患者的AN和DMN受損程度的差異，可能有助于提高對吞咽障礙的神經(jīng)病理生理機制和康復(fù)的認識。

2.2 阿爾茨海默病患者的吞咽功能磁共振成像研究 吞咽障礙是阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)中一個日益關(guān)注的問題。Humbert等[36]研究發(fā)現(xiàn)在大腦吞咽水和吞咽唾液過程中，AD患者組比健康者組的血氧合水平依賴性反應(yīng)小。這些發(fā)現(xiàn)可能表明AD患者存在吞咽神經(jīng)控制減退。Humbert等[26]研究AD組和健康對照組“吞咽唾液”命令中，健康組在左側(cè)前島葉皮質(zhì)內(nèi)的激活更大。在相同實驗對象參與的另一項實驗中，通過視覺提隨機插入13s“不要吞咽”的任務(wù)。當“不要吞咽”視覺提示出現(xiàn)，參與者應(yīng)避免吞咽或做任何口頭動作。在該任務(wù)中，AD組的左側(cè)前島葉皮質(zhì)的激活更大[28]。之前有研究表明，當液體被注入口腔時，左側(cè)前島葉在吞咽前立即處于活躍狀態(tài)，該區(qū)域被認為用于吞咽的計劃和啟動。成功的唾液吞咽在健康組中表現(xiàn)出更大的激活，但在該區(qū)域“關(guān)閉”吞咽計劃時需要AD組付出更多努力。這可以進一步證實左側(cè)前島葉與吞咽啟動相關(guān)的理論。由于島葉是在阿爾茲海默病過程中早期萎縮的少數(shù)皮質(zhì)區(qū)之一。AD患者的一些行為抑制問題可能與左側(cè)前島葉的受損有關(guān)[28]。

3 總結(jié)與研究展望

吞咽功能的輔助檢查包括視頻透視吞咽檢查、纖維內(nèi)鏡吞咽功能檢查、纖維內(nèi)鏡吞咽功能檢查等[37]。功能磁共振成像是一種非侵入性、定量的方法，它可以與其他成像測試相關(guān)聯(lián)或作為一種驗證方法來確認結(jié)果，幫助闡明吞咽相關(guān)的神經(jīng)機制。治療吞咽困難癥狀的治療方法包括改變食物或液體的稠度、進食姿勢[38]，對口腔和咽部結(jié)構(gòu)的外部刺激(如按摩和電刺激)，管飼或腸外營養(yǎng)等。上述文章中有研究提到了可用于神經(jīng)性吞咽障礙的新型康復(fù)思路和方法，如通過想象吞咽來激活吞咽規(guī)劃相關(guān)大腦區(qū)域；利用和吞咽相關(guān)的視、聽、味、嗅覺刺激來增強吞咽功能等。未來研究可結(jié)合吞咽功能磁共振檢測方法來驗證新型治療方法對于吞咽功能恢復(fù)以及神經(jīng)重塑的可行性，為吞咽障礙的臨床治療提供依據(jù)，拓展治療方法，幫助吞咽障礙患者早日康復(fù)。