下肢截肢患者的腦功能連接

劉紹文，魏聰惠，單新穎，張焱

1.南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院，江西南昌市 330006；2.國家康復(fù)輔具研究中心老年功能障礙工程康復(fù)北京市重點實驗室，北京市 100176

0 引言

截肢是由于各種疾病（腫瘤、糖尿病和感染等）、手術(shù)或外傷（車禍、墜落和擠壓等）導(dǎo)致的部分肢體缺失。在發(fā)育過程中，神經(jīng)系統(tǒng)會不斷分化出不同神經(jīng)元，在不同環(huán)境下，神經(jīng)系統(tǒng)會發(fā)生重組，這就是神經(jīng)可塑性[1-2]。神經(jīng)可塑性意味著大腦能從過去的經(jīng)驗和環(huán)境中學(xué)習(xí)，并對外部刺激做出反應(yīng)[2]。下肢截肢患者由于下肢殘缺，感受器、傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)切斷，神經(jīng)末梢腫脹、突出和軸突再生，可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)重塑[3]。另外，截肢患者背根神經(jīng)節(jié)也檢測到異常放電，說明截肢也會導(dǎo)致外周神經(jīng)系統(tǒng)重塑[4]。

創(chuàng)傷性截肢被認為不會損傷大腦結(jié)構(gòu)，這一點存在灰質(zhì)與白質(zhì)解剖學(xué)變化的爭論[5-7]。上肢截肢患者的腦感覺區(qū)和運動區(qū)出現(xiàn)普遍重塑[1,8]。Makin等[9]的研究表明，上肢截肢后腦可塑性變化不局限于缺失的手部感覺運動區(qū)，還存在手部感覺運動區(qū)與感覺運動網(wǎng)絡(luò)和默認網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接降低，長期截肢的個體連接性更弱。Zhang 等[10]的研究指出，下肢截肢患者皮質(zhì)下核團與對側(cè)感覺運動區(qū)間的功能連接降低；隨著時間延長，感覺運動網(wǎng)絡(luò)皮質(zhì)下區(qū)和皮質(zhì)區(qū)之間的功能連接進一步降低。Hahamy 等[11]研究先天性單手患者使用多個身體部位（如殘臂、嘴和腳）的代償行為，多樣化的代償與大規(guī)模皮質(zhì)重組有關(guān)，而與缺失手皮質(zhì)的接近程度無關(guān)；缺失手的皮質(zhì)代表區(qū)γ-氨基丁酸（gama-aminobutyric acid,GABA）水平降低，提示功能連接選擇性降低。替代缺失手功能的身體部位代表區(qū)擴展到缺失手的皮質(zhì)中，并在運動時活動增加，Mahon 等[12]認為，手的皮質(zhì)代表區(qū)可能不一定代表手本身，而是具有缺失手功能的任何其他身體部位。此外，幻肢痛與初級感覺運動皮質(zhì)間功能連接性降低有關(guān)，在執(zhí)行運動想象任務(wù)時，有幻肢覺的截肢患者完整手和缺失手的反應(yīng)時間均顯著延長，沒有幻肢覺的截肢者則沒有明顯延長，慢性幻肢痛維持了局部皮質(zhì)的表達，并破壞初級感覺運動皮質(zhì)區(qū)域間的連通性[13-14]。

相位鎖值（phase-locked values,PLV）是腦功能連接網(wǎng)絡(luò)研究常用的指標，它通過計算μ 頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的PLV形成所有電極位置連通的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)；計算每個電極的特征向量中心度可區(qū)分運動想象和運動執(zhí)行任務(wù)。Santamaria 等設(shè)計情緒刺激試驗，使用PLV分別構(gòu)建μ 節(jié)律和β 節(jié)律腦網(wǎng)絡(luò)，提取小世界參數(shù)區(qū)分想象左右手任務(wù)[15]。PLV與振幅無關(guān)，是分析相位同步的一種合適方法。

目前研究上肢截肢和動物截肢引發(fā)腦功能和結(jié)構(gòu)變化的研究較多，對下肢截肢后腦功能和結(jié)構(gòu)的研究較少。李昭陽等[16]和王玲等[17]采用特定任務(wù)（運動想象、視覺想象等）探究腦功能連接水平的大腦重塑。運動想象常常使用μ節(jié)律（8～13 Hz）和β節(jié)律（14～20 Hz）區(qū)分不同的任務(wù)[18]。運動想象不僅激發(fā)支配該肢體的皮質(zhì)，還激發(fā)前運動皮質(zhì)、初級運動皮質(zhì)、小腦、頂下小葉和輔助運動區(qū)等多個區(qū)域。

本研究記錄下肢截肢患者靜息態(tài)腦電，著眼于多頻段和多電極分析，探究患者在δ（0.5～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～13 Hz）、β（13～30 Hz）多頻段上功能連接性的變化，具有無創(chuàng)、高時間分辨率、方便快捷等特點[19]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2020 年11 月至2021 年6 月，通過國家康復(fù)輔具研究中心，非定向招募健康成年人22 例（對照組）和下肢截肢患者18 例（患者組）。對照組均為男性；患者組男性16 例，女性2 例；除截肢外無其他神經(jīng)-精神疾病。見表1。

表1 下肢截肢患者基本信息

本試驗研究經(jīng)國家康復(fù)輔具研究中心倫理委員會批準。被試均知曉試驗?zāi)康暮脱芯糠椒?，簽署知情同意書并獲得一定補償。

1.2 數(shù)據(jù)采集

在國家康復(fù)輔具研究中心腦電圖室完成。采用Net Station Acquisition EGIDense Array EEG 256 通道腦電采集系統(tǒng)（美國EGI公司）記錄腦電數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由256 通道腦電采集放大器和256 導(dǎo)聯(lián)電極帽組成。測量前，被試用實驗人員提供的物品洗頭。設(shè)備調(diào)試完成后，被試坐在舒適的椅子上，靜息睜眼采集腦電數(shù)據(jù)，共4 min。以Cz 為參考電極，頭皮阻抗＜50 kΩ，采樣頻率500 Hz。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用離線MatLab 2017 軟件的EEGLAB 對腦電數(shù)據(jù)進行預(yù)處理[20]。使用EEGLAB/FIR 進行帶通濾波，設(shè)置為1～30 Hz；以全腦平均參考進行重新參考（rereference）；2 s 分段。手動檢查壞導(dǎo)進行插值；通過獨立成分分析（independent component analysis,ICA）剔除眼動、心電、眼漂等成分。為減少計算量，選擇標準10-20 系統(tǒng)的頭皮電極和下肢的頭皮代表電極C1、C2。對電極進行重新編號和排序，共21 個導(dǎo)聯(lián)：F8、Fp2、Fz、F3、C1、Fp1、F7、C3、T7、P3、P7、Pz、O1、Oz、O2、P4、P8、C4、C2、T8 和F4。電極位置見圖1。

圖1 納入電極的位置

1.4 PLV

相位同步被廣泛應(yīng)用于探索混沌系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特征。若兩個神經(jīng)震蕩活動的相位具有恒定相位差，則認為這兩個活動存在相位同步關(guān)系。帶通濾波、選擇感興趣頻段后，對每個電極和分段采用希爾伯特變換得到腦電信號的瞬時相位時間序列，據(jù)此計算PLV。PLV的范圍為0～1，越接近1，兩個節(jié)點間的功能連接性越強。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。對每個被試不同頻段（δ/θ/α/β）的PLV進行平均，組間比較采用獨立樣本t檢驗，顯著性水平α=0.05。

選擇兩組間存在顯著性差異的邊，對應(yīng)到患者組和對照組的功能連接網(wǎng)絡(luò)矩陣中，計算不同頻段下兩組功能連接網(wǎng)絡(luò)平均值，將存在顯著性差異的邊相減（對照組-患者組），得到存在顯著性差異的功能連接腦網(wǎng)絡(luò)圖。用黃色線表示患者組功能連接降低。

2 結(jié)果

兩組電極對之間功能連接指標矩陣見圖2 和圖3。兩組間低頻段（δ/θ）上電極間功能連接無顯著性差異（P＞0.05），患者組α 和β 頻段部位電極間功能連接明顯降低（P＜0.01）。見表2?；颊呓M功能連接減少的邊主要位于額葉、顳葉、枕葉等。見圖3。

圖2 兩組δ和θ頻段下電極間功能連接矩陣

圖3 兩組α和β頻段下電極間功能連接矩陣

表2 兩組不同頻段PLV比較

3 討論

神經(jīng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上可針對經(jīng)驗和損傷做出自我調(diào)整，截肢是神經(jīng)可塑性的影響因素之一。大腦主要認知中心神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)連接不足，可導(dǎo)致智力低下[21]。本研究采用靜息態(tài)腦電圖探索下肢截肢患者和健康人的持續(xù)神經(jīng)元振蕩，分析腦功能連通性，結(jié)果顯示，在α 和β 頻段上，下肢截肢患者整體功能連接降低。

在運動想象和運動執(zhí)行試驗中，相應(yīng)腦區(qū)激活，同時對應(yīng)電極α 和β 頻段上往往會出現(xiàn)事件相關(guān)去同步和事件相關(guān)同步現(xiàn)象，提示α 和β 頻段與運動相關(guān)。下肢截肢患者在α 和β 頻段上PLV降低與其運動功能下降對應(yīng)。下肢截肢患者功能連接降低不限于運動代表區(qū)，而是整體降低，提示截肢影響到更多的腦區(qū)，如額葉和枕葉。與近年一些研究結(jié)果類似。截肢患者視覺相關(guān)代表區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[22-23]。在δ 和θ 頻段上，下肢截肢患者功能連接與健康人相似。δ 波常在額部出現(xiàn)，只在皮質(zhì)內(nèi)發(fā)生，常見于兒童和成年人睡眠時，在正常清醒成人腦波中少見。人格特征和工作記憶與θ頻段振蕩相關(guān)[24-25]。工作記憶任務(wù)可誘發(fā)顯著的θ 振蕩，并隨負載增加而增強[25]。下肢截肢患者δ 和θ頻段上功能連接無顯著性差異。

上肢截肢后，患者遠期基礎(chǔ)體感運動區(qū)、上頂葉皮質(zhì)、輔助運動區(qū)、初級運動皮質(zhì)和小腦等多個腦區(qū)均觀察到灰質(zhì)減少，可能表示長期截肢狀態(tài)導(dǎo)致廣泛的腦區(qū)重塑。本研究顯示，下肢截肢切斷了傳入和傳出神經(jīng)元，功能連接發(fā)生重塑不限單個腦區(qū)，與多腦區(qū)灰質(zhì)減少相似。Pawela等[25]和Makin等[9]根據(jù)任務(wù)分析感興趣區(qū)域，并未對全腦靜息態(tài)功能連接進行分析。本研究對下肢截肢患者靜息態(tài)多頻段全腦網(wǎng)絡(luò)進行分析，與健康人進行橫向比較。

截肢患者常發(fā)生幻肢痛。一些學(xué)者認為，幻肢痛導(dǎo)致大腦重塑[26]。研究發(fā)現(xiàn)[27-28]，嘴部皮質(zhì)代表區(qū)入侵手部缺失代表區(qū)程度越大，則幻肢痛程度越重，即大腦重塑程度與幻肢痛程度相關(guān)。減輕幻肢痛的方法之一為運動想象，以改善不良的大腦重塑[29]。下肢截肢患者進行運動想象療法康復(fù)后，可應(yīng)用靜息態(tài)腦電圖觀察大腦功能連接，進行大腦可塑性分析，評估運動想象的療效。穿戴假肢是下肢截肢患者改善運動功能的重要手段，觀察功能連接變化有助于指導(dǎo)假肢使用。

總之，下肢截肢患者在α 和β 頻段上整體功能連接顯著降低，但在δ 和θ 頻段上功能連接無顯著改變。下肢截肢狀態(tài)不僅影響所截肢體投射腦區(qū)（感覺運動區(qū)等），還影響到遠離的多個腦區(qū)（額葉、顳葉、枕葉等）。

高密度腦電設(shè)備有高時間分辨率，但空間分辨率略有不足；功能磁共振成像可以補充空間分辨率上的不足。后續(xù)的研究可聯(lián)合使用功能磁共振成像，深入探討下肢截肢患者腦功能重塑。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。