基于體素的形態(tài)學分析在脊髓損傷中的研究進展

包書圣，趙璨，包星星，饒家聲，4

1.北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院生物材料與神經(jīng)再生北京市重點實驗室，北京100083；2.中國康復科學所康復工程研究所，北京100068；3.首都醫(yī)科大學康復醫(yī)學院，北京100068；4.北京航空航天大學生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心，北京100083

前言

創(chuàng)傷性脊髓損傷（Spinal Cord Injury, SCI）是由外傷引起的脊髓結(jié)構(gòu)與功能的損傷，會導致?lián)p傷水平以下感覺、運動功能的損害，對患者造成嚴重的生理、心理傷害，給家庭與社會帶來巨大的經(jīng)濟負擔［1］。長期以來，對SCI的研究都主要聚焦于受損水平的局部結(jié)構(gòu)、功能重建［2］。而隨著實驗設(shè)備和方法的改進，有研究發(fā)現(xiàn)SCI同樣會引起腦內(nèi)神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的可塑性改變［3-6］，這些變化可能會對SCI 患者的康復治療產(chǎn)生重要的影響。

基于體素的形態(tài)學（Voxel-based Morphometry,VBM）是一種基于高分辨率3D T1加權(quán)圖像的全腦組織形態(tài)學分析方法［7］，能夠逐體素地定量計算分析腦灰、白質(zhì)的體積，敏感地檢測出大腦形態(tài)的局部變化，精確顯示其它常規(guī)影像學方法難以檢測到的細微結(jié)構(gòu)改變［8］，為監(jiān)測SCI 的繼發(fā)性腦損傷提供有力工具。本文主要針對VBM 在SCI患者大腦微觀結(jié)構(gòu)變化研究中的應(yīng)用展開綜述。

1 SCI患者大腦的病理性變化

近年來的研究表明SCI 會對大腦產(chǎn)生復雜的結(jié)構(gòu)、功能方面的影響。一些研究者從細胞層面對這種變化進行了分析，Sobrido-Camean 等［9］發(fā)現(xiàn)SCI 患者的大腦內(nèi)細胞凋亡機制可能會被激活，caspase-8抗體與Fas 受體在這種激活機制中發(fā)揮重要作用，它們的活性對于SCI 患者的大腦神經(jīng)元正常結(jié)構(gòu)功能的維持意義重大。De Berdt 等［10］表明局部促炎性細胞因子的產(chǎn)生也可能加劇SCI的繼發(fā)性損傷，誘發(fā)進行性的脫髓鞘和神經(jīng)變性。還有一些研究采用神經(jīng)影像學方法來對這些變化進行觀測，Guo等［11］使用彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）測量頸髓損傷和胸髓損傷患者腦區(qū)的胼胝體、上縱束、丘腦后輻射等多個區(qū)域的彌散特性，以評估其微觀結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組患者大腦的多個部位均存在不同程度的損傷，且頸髓損傷后的白質(zhì)損害相比胸髓損傷更為嚴重，這種差異在丘腦后輻射區(qū)域表現(xiàn)尤為突出，這可能顯示了損傷水平對損傷后白質(zhì)脫髓鞘程度的影響。Jirjis 等［12］對SCI 大鼠的DTI 研究也發(fā)現(xiàn)了損傷后大腦內(nèi)皮質(zhì)脊髓束（Corticospinal Tract,CST）區(qū)域彌散特性的變化。

這些研究的結(jié)果提示SCI 患者的大腦會發(fā)生繼發(fā)性的損傷，這些損傷程度嚴重，范圍廣泛，與患者感覺、運動功能恢復息息相關(guān)。雖然當前已可通過多種手段對其進行觀測，但如何實現(xiàn)盡可能精確的監(jiān)測對于闡明SCI 患者神經(jīng)修復的機制及預(yù)測臨床結(jié)果十分重要。VBM 技術(shù)憑借其無創(chuàng)性、精確性的優(yōu)點，已在SCI患者大腦微結(jié)構(gòu)的研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2 SCI的橫向VBM研究

早在2004年，就有研究者將VBM 技術(shù)應(yīng)用于SCI，Crawley 等［13］分別使用手動測量和自動VBM 測量的方法對頸髓損傷患者的初級運動皮質(zhì)（Primary Motor Cortex,M1）的灰、白質(zhì)體積變化進行了探索，VBM 結(jié)果顯示患者大腦M1 的灰質(zhì)體積相較對照者雖有降低，但幅度很小，只有3.8%，不具有統(tǒng)計學意義，因此認為SCI 患者大腦M1 內(nèi)更可能發(fā)生了功能重塑而非解剖結(jié)構(gòu)的改變。Jurkiewicz 等［14］則對頸髓損傷患者的初級軀體感覺皮質(zhì)（Primary Somatosensory Cortex, S1）進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者的雙側(cè)S1 的灰質(zhì)體積出現(xiàn)了明顯降低，表明SCI患者的大腦S1 內(nèi)可能會出現(xiàn)皮質(zhì)萎縮。Wrigley等［15］對完全性胸髓損傷后人運動皮質(zhì)的解剖學變化展開了較為系統(tǒng)的研究，通過VBM 檢測發(fā)現(xiàn)患者在M1、內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)和前扣帶回（Anterior Cingulate Cortex,ACC）內(nèi)的灰質(zhì)體積下降，對相同區(qū)域內(nèi)DTI結(jié)果的分析也得到了同樣的結(jié)論。他們認為先前的VBM 研究中之所以難以檢測到M1 中顯著的灰質(zhì)體積改變，可能是由于患者的損傷嚴重程度較為混雜，既包括完全性損傷，又包括不完全性損傷。這些研究對SCI患者大腦皮質(zhì)的體積變化進行了初步探索，發(fā)現(xiàn)大腦M1、S1 等區(qū)域可能存在的萎縮，但他們大都止步于對損傷后大腦本身結(jié)構(gòu)的觀測，而未對皮質(zhì)萎縮與患者臨床表現(xiàn)間潛在的相關(guān)性做更深入的研究。

Freund 等［16］采用脊髓橫截面面積測量、VBM、基于體素的皮質(zhì)厚度測量等方法對頸髓損傷后脊髓和大腦的解剖結(jié)構(gòu)變化進行全面的橫向研究，并分析這些指標與患者上、下肢功能表現(xiàn)間的相關(guān)性。結(jié)果表明相較于對照組，患者的脊髓橫截面面積減少了約30%，錐體、左小腦腳區(qū)域的白質(zhì)體積和M1、S1區(qū)域的灰質(zhì)體積顯著較低，且在M1、S1 區(qū)域還存在皮質(zhì)變薄的現(xiàn)象。更大的脊髓面積以及M1 中更高的灰質(zhì)體積與患者的臨床表現(xiàn)之間顯著相關(guān)。在其后續(xù)研究中，他們還將VBM 應(yīng)用于顱皮質(zhì)脊髓束的DTI 圖像分析［17-18］，并在患者的錐體、內(nèi)囊、M1 區(qū)域檢測到了顯著的部分各向異性降低，在大腦腳區(qū)域檢測到了顯著的軸向彌散率降低，在錐體和大腦腳區(qū)域檢測到了顯著的徑向彌散率降低，這一般被認為是由軸突變性和脫髓鞘所導致［19］。同樣，他們也發(fā)現(xiàn)了這些彌散特性變化與脊髓面積萎縮、上肢運動功能障礙之間的相關(guān)性［18］。Freund 等［16-18］的一系列實驗系統(tǒng)地揭示了SCI患者大腦皮質(zhì)萎縮（微觀結(jié)構(gòu)）與脊髓本身形態(tài)（宏觀結(jié)構(gòu)）、臨床表現(xiàn)評分（功能評價）等多項指標間的潛在聯(lián)系，表明對大腦微觀結(jié)構(gòu)的VBM 研究有潛力用于對患者損傷程度的監(jiān)測。但這些研究也存在一個問題，即它們大都是對單一時間點的患者進行橫向研究，而SCI患者的神經(jīng)退變是一個進行性的過程。在臨床應(yīng)用中，對患者的恢復情況進行持續(xù)的監(jiān)測具有重要意義。因此，對SCI患者大腦微觀結(jié)構(gòu)縱向變化的VBM 研究亦十分必要。

3 SCI的縱向VBM研究

Freund 等［20］率先將VBM 技術(shù)用于檢測急性SC患者損傷水平以上的縱向神經(jīng)退變過程。他們招募了13 名患者和18 名對照者，在基線、2 個月、6 個月、12 個月時，分別采用國際脊髓損傷神經(jīng)學分類標準（International Standards for the Neurological Classification of Spinal Cord Injury, ISNCSCI）和脊髓獨立性評定（Spinal Cord Independence Measure,SCIM）兩種方式對患者的臨床康復水平進行評估，同時使用VBM 方法測量患者和對照者的顱皮質(zhì)脊髓束和感覺運動皮質(zhì)的灰、白質(zhì)萎縮。結(jié)果顯示在內(nèi)囊水平和右大腦腳水平，患者CST 白質(zhì)體積和左側(cè)M1 灰質(zhì)體積減少的速度要快于對照組。12 個月時患者SCIM 評分的改善與內(nèi)囊水平和左大腦腳水平CST白質(zhì)體積損失的減少有關(guān)，ISNCSCI運動評分的改善則與右內(nèi)囊水平CST 周圍白質(zhì)體積損失的減少相關(guān)。這項縱向研究對SCI 患者神經(jīng)退變過程的時空模式及其與臨床結(jié)果的關(guān)系進行了探索，發(fā)現(xiàn)在損傷后的頭幾個月內(nèi)，患者皮質(zhì)脊髓軸突和感覺運動皮質(zhì)區(qū)域內(nèi)會發(fā)生廣泛的上游萎縮和微結(jié)構(gòu)改變，且這種退變速度與他們的臨床表現(xiàn)之間存在相關(guān)性，萎縮速度越快，臨床結(jié)果評分越差。Ziegler等［21］的縱向研究則對急性SCI 患者兩年內(nèi)的皮質(zhì)萎縮和臨床康復情況進行隨訪，結(jié)果顯示患者在延髓、小腦腳、右內(nèi)囊水平的CST 和小腦蚓部存在顯著的白質(zhì)體積下降，在左島葉、左ACC和右丘腦存在顯著的灰質(zhì)體積下降。他們還對這種萎縮的時間模式進行了模擬，并使用基線后6個月時的皮質(zhì)體積變化較準確地預(yù)測了24 個月時的臨床結(jié)果。Seif 等［22］也得出了類似的結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了基線時患者左側(cè)小腦灰質(zhì)體積與基線后12 個月時美國脊柱損傷協(xié)會（American Spinal Injury Association,ASIA）輕觸覺評分之間的相關(guān)性。這些研究表明：在損傷部位遠端，即腦水平的微結(jié)構(gòu)MRI 結(jié)果可作為急性SCI 的神經(jīng)影像生物標記。能夠?qū)Υ竽X皮質(zhì)結(jié)構(gòu)體積進行精確測量的VBM 技術(shù)在監(jiān)測SCI 后患者腦部細微變化、預(yù)測臨床康復結(jié)果方面具有巨大的潛力。

4 可能影響VBM結(jié)果的因素

關(guān)于SCI 患者大腦內(nèi)的灰、白質(zhì)萎縮情況，不同研究得到的結(jié)論不盡相同。一方面，一些研究者對這些結(jié)果進行系統(tǒng)歸納，以找尋不同實驗結(jié)果之間可能的共性。如Nardone等［23］提出大部分VBM 研究都顯示在患者雙側(cè)S1存在明顯的灰、白質(zhì)萎縮，而對M1 中灰質(zhì)萎縮研究的結(jié)果則分歧較大，其它較常出現(xiàn)萎縮的皮質(zhì)區(qū)域主要包括ACC、島葉、額中回和輔助運 動區(qū)（Supplementary Motor Area, SMA）等。Wang 等［24］薈萃分析納入了12 個灰質(zhì)體積數(shù)據(jù)集、9個白質(zhì)體積數(shù)據(jù)集，共466 名對象（190 名患者、276名對照者）的數(shù)據(jù)，對大量數(shù)據(jù)檢驗的結(jié)果表明：與對照組相比，患者的感覺運動系統(tǒng)區(qū)域，包括雙側(cè)S1、雙側(cè)M1、SMA、中央旁小葉、丘腦、基底節(jié)中表現(xiàn)出明顯的灰質(zhì)萎縮，在CST 中表現(xiàn)出明顯的白質(zhì)萎縮。另一方面，大量研究針對可能會導致?lián)p傷后皮質(zhì)萎縮差異的因素進行了探索，如損傷持續(xù)時間、損傷嚴重程度、臨床康復情況等。

4.1 損傷持續(xù)時間

Hou 等［25］針對SCI 患者大腦皮質(zhì)的早期結(jié)構(gòu)變化進行了研究，所納入患者的損傷持續(xù)時間為4～12周，平均損傷持續(xù)時間為（8.9±2.7）周，VBM結(jié)果顯示患者在M1、S1、SMA和丘腦中存在顯著的灰質(zhì)萎縮，在雙側(cè)大腦腳水平的CST 中存在顯著的白質(zhì)萎縮，且患者M1 的灰質(zhì)體積與ASIA 總運動評分呈正相關(guān)。Chen 等［26］研究將SCI 患者分為亞急性（損傷持續(xù)時間<1年）和慢性（持續(xù)時間>1年）亞組，發(fā)現(xiàn)雖然患者的背側(cè)ACC、雙側(cè)前島葉、雙側(cè)眶額葉（Orbital Frontal Cortex,OFC）、右顳上回中的灰質(zhì)體積相較對照者顯著降低，但不同亞組間的差異并不顯著。在亞急性亞組中，背側(cè)ACC 的灰質(zhì)體積與臨床總運動評分呈正相關(guān)，右側(cè)OFC 的灰質(zhì)體積與損傷持續(xù)時間呈負相關(guān)。Holler 等［27］研究則未發(fā)現(xiàn)損傷持續(xù)時間（亞急性vs慢性）對皮質(zhì)體積的影響。這些結(jié)果表明：在大腦感覺運動系統(tǒng)中出現(xiàn)的顯著微觀結(jié)構(gòu)變化可能主要發(fā)生在SCI后較為早期的階段內(nèi)，因此在損傷后亞急性期與慢性期的皮質(zhì)體積間才無法檢測到明顯差異。這也與Freund 等［20］的縱向研究結(jié)果吻合，在掃描基線后6 個月，大腦皮質(zhì)的萎縮速率出現(xiàn)了明顯下降。

4.2 損傷嚴重程度

Chen等［26］研究還對完全性損傷和不完全性損傷亞組的灰質(zhì)體積進行了比較，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)兩組之間的顯著差異，在完全性損傷亞組中，右側(cè)OFC 的灰質(zhì)體積與左肢的臨床運動評分呈正相關(guān)。Karunakaran等［28］則更進一步對完全性損傷患者中截癱和四肢癱亞組的灰質(zhì)體積差異進行研究，發(fā)現(xiàn)四肢癱患者中的灰質(zhì)體積下降相較截癱患者和健康對照者更為明顯。目前關(guān)于損傷嚴重程度差異方面的研究還相對較少，因此對于SCI患者大腦皮質(zhì)體積是否會受到其影響，還難以得出結(jié)論。

4.3 臨床康復情況

隨著用于SCI 治療的各種干預(yù)措施逐步進入臨床試驗，越來越多的研究者開始將目光聚焦于對患者康復狀況的監(jiān)測評估，VBM 技術(shù)也在其中起到了重要作用。Villiger 等［29］綜合使用VBM、基于體素的皮質(zhì)厚度和基于張量的形態(tài)學技術(shù)來評價在不完全性SCI患者中虛擬現(xiàn)實強化下肢康復訓練的作用，結(jié)果顯示在進行了虛擬現(xiàn)實強化訓練后的患者大腦皮質(zhì)中確實存在體積損失的改善。Hou 等［30］對損傷后運動功能恢復良好和運動功能恢復較差的患者間大腦微結(jié)構(gòu)的差異進行研究，對DTI 圖像的VBM 分析顯示：與恢復良好患者相比，恢復較差患者在雙側(cè)M1 和右側(cè)內(nèi)囊處存在顯著的各向異性值降低。Chen 等［31］研究了SCI 患者腦內(nèi)視覺相關(guān)皮質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，VBM 結(jié)果表明：相較健康對照者，SCI 患者在左海馬、海馬旁回、右額上回、額中回區(qū)域表現(xiàn)出明顯的灰質(zhì)萎縮，這也揭示了視覺反饋訓練對SCI患者運動功能康復的可能影響。在其另一項對SCI 患者感覺相關(guān)皮質(zhì)的研究中［32］，在患者左頂上小葉中檢測到了灰質(zhì)體積下降，在右顳葉、右枕葉和右距狀回中檢測到白質(zhì)體積下降，但并未在一些公認與感覺功能密切相關(guān)的區(qū)域，如S1、次級軀體感覺皮質(zhì)和丘腦中檢測到微結(jié)構(gòu)變化，這可能表明SCI導致軀體感覺功能受損后，大腦內(nèi)并非通過這些傳統(tǒng)感覺通路，而是通過可能的替代通路來實現(xiàn)對感覺功能的重組［33］，這可為損傷后患者感覺功能的康復治療提供新的視點。

還有一些研究者針對困擾某些SCI 患者已久的神經(jīng)性疼痛（Neuropathic Pain,NP）現(xiàn)象進行了探索。Mole 等［34］使用VBM方法對存在NP 的SCI 患 者（SCI-P）、無NP 的患者（SCI-N）以及健康對照組的大腦皮質(zhì)進行了比較，結(jié)果表明SCI-P 組相較SCI-N組，其雙側(cè)軀體感覺皮質(zhì)的灰質(zhì)體積顯著較低，且灰質(zhì)體積與疼痛強度呈負相關(guān)；SCI-P 組相較對照組，其S1 的灰質(zhì)體積減少，CST 的白質(zhì)體積減少；SCI-N組相較對照組，其S1的灰質(zhì)體積增加，CST 的白質(zhì)體積減少，但程度較輕，且在視皮質(zhì)中出現(xiàn)了灰質(zhì)體積增加和白質(zhì)體積減少。Jutzeler 等［35］對SCI 患者神經(jīng)性疼痛的VBM 研究則顯示：NP 的出現(xiàn)與患者左側(cè)ACC、右側(cè)M1 的灰質(zhì)體積增加和右側(cè)S1、丘腦的灰質(zhì)體積下降相關(guān)。這些研究有助于從微觀結(jié)構(gòu)層面了解NP 的潛在發(fā)病機制，對預(yù)防和管理難治性神經(jīng)疼痛，盡可能降低SCI患者的生理心理痛苦具有重要臨床意義。

5 局限性

雖然VBM 技術(shù)在SCI患者的大腦微結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮了重要作用，但這些研究也存在一定的局限性。

5.1 VBM技術(shù)本身的局限性

VBM 本質(zhì)上是通過對磁共振圖像進行算法處理來實現(xiàn)后續(xù)的一系列操作，因此圖像質(zhì)量對VBM 的影響非常重大，有一些研究就提出：由于DTI 圖像的較低分辨率，在對其進行VBM 處理過程中，更容易在圖像配準、組織特異性、平滑等方面出現(xiàn)錯誤［36-37］。因此，高質(zhì)量的磁共振圖像的獲取十分重要。

同時，對VBM 處理過程中一些參數(shù)的選擇也可能對結(jié)果產(chǎn)生影響，其中較為常見的是平滑核大小的選擇［8］：若平滑核過小，可能會導致圖像間缺乏一致性，難以進行比較；若平滑核過大，則可能會掩蓋一些細微的結(jié)構(gòu)差異，導致對結(jié)果的誤判。這就需要研究者綜合考慮自身實驗性質(zhì)，謹慎選擇適宜參數(shù)。

5.2 VBM研究的局限性

縱觀SCI 中VBM 研究的發(fā)展進程，我們可以發(fā)現(xiàn)，橫向研究占了大多數(shù)，而縱向研究相對較少，考慮到研究所需的時間、經(jīng)濟成本，這種現(xiàn)象也不難理解。但即使是這些縱向研究也存在一個普遍的問題：無法獲得損傷前健康狀態(tài)下的磁共振數(shù)據(jù)，最早的基線數(shù)據(jù)也是損傷后的結(jié)果［23］。這種正常狀態(tài)數(shù)據(jù)的缺失使得損傷前后大腦細微結(jié)構(gòu)差異的研究變得困難，在一定程度上阻礙了研究人員揭示SCI對于大腦皮質(zhì)影響。在這種情況下，系統(tǒng)的動物實驗，尤其是對高等非人靈長類動物的SCI 磁共振研究可能能夠提供更多有用的信息［38］。

此外，一些研究納入的患者數(shù)量相對較少，尤其是在那些需要將患者分為不同亞組的實驗內(nèi)，每個亞組內(nèi)較少的樣本量可能會進一步導致統(tǒng)計效力的削弱［26-28］。

6 結(jié)語

VBM 技術(shù)已在對SCI 患者大腦微結(jié)構(gòu)的研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用，雖然還存在一些不足，但其依舊為監(jiān)測SCI患者大腦皮質(zhì)體積的細微變化，探索腦內(nèi)繼發(fā)性損傷的病理生理機制，預(yù)測患者臨床康復的結(jié)果，促進新型治療干預(yù)措施的應(yīng)用做出了重要貢獻。隨著VBM 技術(shù)的日臻完善和人們對神經(jīng)系統(tǒng)認識的不斷加深，SCI患者的病理生理改變必將得到更為精確的觀測，其潛在機制也將得到進一步闡明，從而為未來SCI 患者的康復治療奠定堅實的基礎(chǔ)。