功能MRI研究意識(shí)障礙進(jìn)展

歐陽(yáng)烽，陳 曄，尹明雪，王 博，曾獻(xiàn)軍

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科，江西 南昌 330006)

人類意識(shí)包括覺(jué)醒狀態(tài)和意識(shí)內(nèi)容；覺(jué)醒與投射到丘腦和皮層神經(jīng)元的上行網(wǎng)狀激活系統(tǒng)有關(guān)，而意識(shí)則主要取決于丘腦、大腦皮層及其連接的功能完整性。腦網(wǎng)絡(luò)指大腦內(nèi)不同皮質(zhì)區(qū)域通過(guò)結(jié)構(gòu)或功能連接而形成的網(wǎng)絡(luò)模式[1]，按其靜息態(tài)下內(nèi)在活動(dòng)程度可分為不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。意識(shí)障礙(disorders of consciousness, DOC)包括最低意識(shí)狀態(tài)(minimally conscious state, MCS)、無(wú)反應(yīng)性覺(jué)醒狀態(tài)綜合征/植物狀態(tài)(unresponsive wakefulness syndrome/vegetative state, UWS/VS)及昏迷[2]，以維持覺(jué)醒和意識(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中斷為其特征性表現(xiàn)[3]，或亦為意識(shí)受損的潛在神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制[4]。

目前對(duì)于DOC的具體病理生理學(xué)機(jī)制仍未完全明了，主要原因在于缺乏能夠客觀反映其腦網(wǎng)絡(luò)機(jī)制演變過(guò)程的神經(jīng)成像方法。臨床行為評(píng)分量表、CT及MRI等可提供DOC相關(guān)信息，而PET/CT、功能MRI(functional MRI, fMRI)、腦電圖(electroencephalogram, EEG)和經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)等處于探索中的神經(jīng)成像技術(shù)可彌補(bǔ)其不足[5]。本文就fMRI研究DOC進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 DOC腦網(wǎng)絡(luò)fMRI表現(xiàn)

fMRI技術(shù)興起于20世紀(jì)90年代，通過(guò)建立神經(jīng)血管耦合機(jī)制可產(chǎn)生血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)信號(hào)，以反映大腦內(nèi)在功能活動(dòng)，目前主要用于探索認(rèn)知及精神疾病。人腦主要通過(guò)多個(gè)高效而精細(xì)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模式控制意識(shí)運(yùn)行，主要包括視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)(visual network, VIN)、聽(tīng)覺(jué)網(wǎng)絡(luò)(auditory network, AUN)、執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)(executive control network, ECN)和軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(somatic motor network, SMN)等[6]。以往多基于腦功能網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)劃分腦網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，較少考慮腦區(qū)功能狀態(tài)的影響，且相關(guān)研究多進(jìn)行組間分析，個(gè)體間的差異常被忽略。近年JI等[7]采用fMRI，基于皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)組織的神經(jīng)生物學(xué)原理進(jìn)行多模態(tài)全腦網(wǎng)絡(luò)分割，在一定程度上彌補(bǔ)了既往分割方式的不足。

覺(jué)醒度相關(guān)神經(jīng)影像學(xué)研究主要以DOC患者為觀察對(duì)象，意識(shí)相關(guān)研究則多針對(duì)處于完全清醒狀態(tài)下的健康受試者[8]。近期有學(xué)者[9-11]比較DOC患者、清醒非DOC志愿者及接受深度麻醉非DOC志愿者的靜息態(tài)fMRI(resting-state fMRI, rs-fMRI)表現(xiàn)，以觀察其意識(shí)特異性大腦區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果顯示人類意識(shí)基于大腦整合和功能多樣性之間的時(shí)空動(dòng)態(tài)性[9]，且主要依賴于默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default-mode network, DMN)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(dorsal attention network, DAN)的動(dòng)態(tài)平衡及拮抗[10]；而包含輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area, SMA)、前扣帶回膝下側(cè)區(qū)(supragenual anterior cingulate cortex, SACC)、雙側(cè)緣上回(supramarginal gyrus, SMG)和左側(cè)顳中回(left middle temporal gyrus, LMTG)的大腦高階感覺(jué)運(yùn)動(dòng)回路區(qū)域亦對(duì)維持意識(shí)具有重要作用：無(wú)意識(shí)狀態(tài)下，上述區(qū)域之間的度中心性(degree centrality, DC)和功能連接(functional connectivity, FC)值均顯著降低，且后者與意識(shí)水平顯著相關(guān)[11]。

2 fMRI診斷及評(píng)估DOC

內(nèi)在腦活動(dòng)(intrinsic brain activity, iBA)在人腦功能中具有核心作用。CAO等[15]的fMRI觀察結(jié)果顯示，DOC患者后DMN、感覺(jué)網(wǎng)絡(luò)及軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)FC降低，提示iBA波動(dòng)變化有助于診斷DOC。YU等[16]針對(duì)UWS/VS患者、MCS患者及健康人，基于fMRI比率低頻振幅方法(fractional amplitudes of the low-frequency fluctuation, fALFF)和動(dòng)態(tài)fALFF(dynamic fALFF, dfALFF)觀察區(qū)域腦活動(dòng)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)上述fMRI方法均有助于診斷DOC。DEMERTZI等[17]采用fMRI 觀察MCS與UWS/VS患者，發(fā)現(xiàn)根據(jù)聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)皮質(zhì)間的FC值可準(zhǔn)確加以區(qū)分。

一項(xiàng)fMRI研究[18]基于連接組預(yù)測(cè)建模(connectome-based predictive modeling, CPM)，采用時(shí)間延遲估計(jì)(time delay estimation, TDE)方法對(duì)DOC患者進(jìn)行臨床評(píng)分，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)于昏迷恢復(fù)評(píng)分量表(coma recovery scale-revised, CRS-R)，其中小腦和前額葉皮層為關(guān)鍵區(qū)域，提示可使用iBA對(duì)DOC患者進(jìn)行臨床評(píng)分。QIN等[19]采用fMRI，基于DMN、ECN和突顯網(wǎng)絡(luò)(salience network, SN)分析不同意識(shí)水平腦損傷患者與健康人的靜息態(tài)FC模式，發(fā)現(xiàn)利用SN、尤其前扣帶回膝部-左前島葉(supragenual anterior cingulate cortex-left anterior insula, SACC-LAI)FC值可有效區(qū)分有意識(shí)狀態(tài)與無(wú)意識(shí)狀態(tài)(即UWS/VS)；而DMN、特別是后扣帶回皮質(zhì)-左外側(cè)頂葉皮質(zhì)(posterior cingulate cortex-left lateral parietal cortex, PCC-LLPC)FC值則與意識(shí)恢復(fù)有關(guān)。

此外，臨床各種評(píng)分量表，如格拉斯哥昏迷量表(Glasgow coma scale, GCS)及CRS-R等，亦可用于評(píng)估DOC，主要通過(guò)觀察患者的睜眼、語(yǔ)言及運(yùn)動(dòng)反應(yīng)評(píng)估其意識(shí)狀態(tài)，由于主要依賴醫(yī)師的主觀判斷，結(jié)果的可靠性相對(duì)較低，且因無(wú)法反映細(xì)微的意識(shí)變化而易誤診[20]。有學(xué)者[5,21]提出，聯(lián)合應(yīng)用CRS-R等高敏感性量表與fMRI等神經(jīng)成像技術(shù)觀察DOC患者隱匿意識(shí)，可顯著提高診斷效能。

3 fMRI預(yù)測(cè)DOC預(yù)后

實(shí)驗(yàn)室檢查指標(biāo)為評(píng)估DOC患者預(yù)后的重要依據(jù)，但用于預(yù)測(cè)嚴(yán)重創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury, TBI)、心跳呼吸驟停(cardiopulmonary arrest, CPA)及卒中所致DOC患者預(yù)后的可靠性較低[22-24]。既往研究[25]顯示，fMRI指標(biāo)——FC值可用于預(yù)測(cè)行為特征、精神及神經(jīng)系統(tǒng)疾病。上升喚醒網(wǎng)絡(luò)(ascending arousal network, AAN)由連接腦干被蓋、下丘腦、丘腦及基底前腦的皮層下通路組成，為人類意識(shí)的重要組成部分[26]；研究[27]表明，采用BOLD-fMRI和彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)評(píng)估AAN結(jié)構(gòu)和FC模式有助于預(yù)測(cè)急性TBI、CPA及卒中所致DOC患者的預(yù)后。PUGIN等[28]以rs-fMRI及機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)后良好的CPA昏迷DOC患者的皮質(zhì)-皮質(zhì)FC值顯著高于預(yù)后較差者。

YU等[24]根據(jù)格拉斯哥結(jié)局?jǐn)U展評(píng)分量表(Glasgow outcome scale-extended, GOS-E)將51例DOC患者分為有意識(shí)組和無(wú)意識(shí)組，基于支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)分類器、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室檢查指標(biāo)與rs-fMRI指標(biāo)[FC、DC、介數(shù)中心性(betweenness centrality, BC)]建立4個(gè)預(yù)測(cè)預(yù)后模型，其中實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)與上述3個(gè)fMRI指標(biāo)聯(lián)合模型預(yù)測(cè)DOC患者預(yù)后的準(zhǔn)確率最高，而單個(gè)指標(biāo)預(yù)測(cè)模型中，基于FC者準(zhǔn)確率最高。BOLTZMANN等[29]對(duì)UWS/VS患者和健康人施加音樂(lè)或負(fù)面聽(tīng)覺(jué)刺激，基于fMRI種子點(diǎn)功能連接方法進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)上述刺激均可調(diào)節(jié)UWS/VS患者大腦活動(dòng)。

此外，DOC意識(shí)恢復(fù)可能存在一定規(guī)律。KOWALSKI等[30]發(fā)現(xiàn)，DOC最初多發(fā)生于TBI患者中，不同程度TBI所致的DOC患者，其意識(shí)恢復(fù)可能遵循特定時(shí)間框架，此恢復(fù)軌跡可為臨床制定治療方案提供幫助。

4 小結(jié)與展望

神經(jīng)成像技術(shù)、尤其fMRI有助于觀察DOC患者不同意識(shí)層次及意識(shí)恢復(fù)狀態(tài)的腦網(wǎng)絡(luò)特征，可用于診斷DOC及預(yù)測(cè)預(yù)后。未來(lái)還需進(jìn)行更多研究，以充分了解皮層與皮層下網(wǎng)絡(luò)整合喚醒意識(shí)的機(jī)制及維持、恢復(fù)意識(shí)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步輔助臨床診斷、評(píng)估及治療DOC。