磁共振成像在針灸治療腦卒中腦變化研究的應(yīng)用

代軼楠 鄭 蘇 廖 旭 李明芬 彭 力

(1 湖北中醫(yī)藥大學(xué)針灸骨傷學(xué)院,武漢,430061; 2 十堰市太和醫(yī)院醫(yī)務(wù)處,十堰,442000; 3 十堰市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院康復(fù)針灸中心,十堰,442000; 4 十堰市太和醫(yī)院神經(jīng)康復(fù)中心,十堰,442000; 5 湖北中醫(yī)藥大學(xué)附屬十堰市中醫(yī)醫(yī)院,十堰,422012)

腦卒中(中風(fēng))屬于急性腦血管病,為腦血循環(huán)障礙病因?qū)е碌耐话l(fā)局限性或彌散性神經(jīng)功能缺損的腦部疾病的總稱[1]。世界衛(wèi)生組織將其列為世界上第一大致殘原因,在腦卒中后遺癥中,存在運動功能障礙患者約占70%[2]。腦卒中后的運動功能障礙嚴(yán)重影響患者生命質(zhì)量,使患者不能獨立生活,對患者、家屬及社會造成極大的痛苦及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。有Meta分析發(fā)現(xiàn)針灸在幫助患者盡早打破異常運動模式、提高肢體運動功能和生命質(zhì)量方面安全有效[3]。腦卒中后,運動皮質(zhì)及其下行通路局灶性損傷,大腦的幸存部分通常會進(jìn)行實質(zhì)性的結(jié)構(gòu)和功能重組,神經(jīng)可塑性為腦卒中后運動功能的恢復(fù)提供了基礎(chǔ),針灸在促進(jìn)神經(jīng)可塑性方面發(fā)揮了作用[4]。磁共振成像作為一種無創(chuàng)、高分辨率的技術(shù),具有提供重復(fù)的全腦測量的優(yōu)勢。近年來多模態(tài)成像技術(shù)的介入將該領(lǐng)域引入可視化方向,磁共振成像技術(shù)的進(jìn)步使得在活體內(nèi)對大腦結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行系統(tǒng)水平的監(jiān)測成為可能,功能可塑性可以通過大腦區(qū)域之間功能相互作用強度的變化來檢測。靜息態(tài)功能磁共振成像(Resting-state Functional Magnetic Resonance Imaging,rs-fMRI)根據(jù)顱內(nèi)血氧水平依賴性(Blood Oxygenation Level Dependent,BOLD)信號的低頻波動評估內(nèi)源性或自發(fā)性大腦活動,從而發(fā)現(xiàn)某些潛在連接體系的變化,繼而產(chǎn)生對比的一種磁共振技術(shù)[5]。氧合血紅蛋白含量在大腦區(qū)域激活后隨之增加,最終導(dǎo)致BOLD信號增強,通過這種方式,BOLD-fMRI可以反映大腦內(nèi)的血流動力學(xué)變化,可以直觀地描針灸治療所導(dǎo)致的大腦皮質(zhì)的功能變化,使其成為網(wǎng)絡(luò)水平大腦可塑性縱向研究的理想選擇。BOLD-fMRI數(shù)據(jù)處理方法從功能分化和功能整合2個角度研究大腦活動,前者強調(diào)單個靜息態(tài)功能磁共振信號的特點,如通過局域一致性、低頻振幅等方法;后者則研究多個靜息態(tài)功能磁共振時間序列信號之間的相互作用,主要包括種子點相關(guān)分析、獨立成分分析等方法[6]。局域一致性、低頻振幅方法著眼于大腦局部腦區(qū)功能異常。種子點相關(guān)分析、獨立成分分析方法則注重大腦皮質(zhì)在各感興趣區(qū)、各網(wǎng)絡(luò)之間功能連接的改變,這些都強調(diào)各腦區(qū)功能的定位,著重于描述大腦的局部網(wǎng)絡(luò);基于圖論的方法主要研究從單個神經(jīng)元到大腦腦區(qū)等不同的空間尺度上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改變,著重于描述全腦復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。體素鏡像同倫連通性從大腦整體雙側(cè)性角度探討同倫區(qū)域功能連接。本文就目前基于rs-fMRI技術(shù)研究針刺治療腦卒中腦變化的研究方法予以論述。

1 功能分化

1.1 局域一致性在針灸治療腦卒中腦變化中的應(yīng)用 局域一致性(Regional Homogeneity,ReHo)由ZANG等[7]首先提出,是一種揭示大腦局部功能活動的方法。該方法使用肯德爾相關(guān)系數(shù),以體素方式度量給定體素的時間序列與其最近鄰的時間序列的相似度,反映局部腦區(qū)神經(jīng)元活動的同步性。ReHo值改變反映局部腦區(qū)神經(jīng)元活動情況。ReHo值下降提示大腦局部神經(jīng)元活動同步性降低,提示該腦區(qū)神經(jīng)元活動異常,升高則表明神經(jīng)元活動在時間上趨于同步。付彩紅等[8]觀察對腦卒中偏癱患者予以針刺干預(yù)后大腦皮質(zhì)ReHo值變化情況,發(fā)現(xiàn)腦卒中偏癱患者ReHo值在多個運動相關(guān)腦區(qū)下降,而針刺后上述腦區(qū)的ReHo值呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢,提示針刺可以促進(jìn)大腦神經(jīng)功能重塑。CHEN等[9]運用對側(cè)針刺方法,針刺左側(cè)偏癱患者健側(cè)肢體曲池、足三里,發(fā)現(xiàn)右側(cè)中央前回和額上回ReHo信號升高,右頂上小葉降低,左側(cè)梭形回和左側(cè)輔助運動區(qū)降低,認(rèn)為針刺一側(cè)可刺激雙側(cè)區(qū)域,但是激活區(qū)域不對稱,對側(cè)針刺可以激活與腦卒中后運動恢復(fù)有關(guān)的腦回。

ReHo處理方法有3點不足:1)對環(huán)境要求較高,易受時間噪聲和空間噪聲影響;2)由于反映的是局部腦區(qū)神經(jīng)活動,因此不能科學(xué)、全面反映大腦的神經(jīng)活動及疾病的病理特征;3)難以反映神經(jīng)元活動的強弱,只能反映神經(jīng)元活動的同步性。但是其對樣本分布沒有具體要求,并且對大腦局部區(qū)域的功能同步性具有較高的敏感性,可以精確定位神經(jīng)元活動異常腦區(qū)。

1.2 低頻振幅在針灸治療腦卒中腦變化中的應(yīng)用 低頻振蕩振幅(Amplitude of Low Frequency Fluctuation,ALFF)也是揭示大腦局部功能活動的方法,將全腦體素信號強度的時間序列經(jīng)過快速傅里葉變換,計算0.01～0.08 Hz下BOLD信號的功率譜的均方根,其主要側(cè)重于探索單個體素水平的神經(jīng)活動性[10]。靜息態(tài)下低頻振蕩信號可以被分成5個頻段,分別是:slow-6(0～0.01 Hz)、slow-5(0.01～0.027 Hz)、slow-4(0.027～0.073 Hz)、slow-3(0.073～0.198 Hz)、slow-2(0.198～0.25 Hz)。研究認(rèn)為slow-5和slow-4頻段內(nèi)低頻振蕩信號與神經(jīng)元活動相關(guān)性最大,因此目前主要從這2個頻段進(jìn)行ALFF的研究[11]。ZOU等[12]在2008年提出低頻振幅分?jǐn)?shù)(FractionalAmplitude of Low Frequency Fluctuation,fALFF),是ALFF的一種改良方法,計算方法是低頻功率譜與整個頻率譜的比率。fALFF對環(huán)境要求不高,優(yōu)點在于可以降低生理性噪聲,提高fALFF方法的準(zhǔn)確性。

歐芳元等[13]研究發(fā)現(xiàn)治療前腦卒中患者與健康人相比,左側(cè)中央前回和左側(cè)中央旁小葉、左側(cè)丘腦等運動相關(guān)的腦區(qū)fALFF值下降,可能是腦梗死運動功能損壞的神經(jīng)基礎(chǔ);左側(cè)直回,右側(cè)背外側(cè)額上回,雙側(cè)眶額回,雙側(cè)內(nèi)側(cè)額上回,雙側(cè)楔葉fALFF比健康人顯著升高,可能是對運動功能區(qū)腦細(xì)胞活動減弱的一種代償。趙澄等[14]研究也證實腦卒中致運動功能受損后,健側(cè)部分腦區(qū)激活是功能代償性機制。針刺治療后卒中組與健康人相比,fALFF存在差異的腦區(qū)數(shù)量減少,提示針刺治療后患者大腦腦區(qū)活動出現(xiàn)了改變。LIU等[15]采用頭針治療腦卒中后偏癱患者,觀察其ALFF變化,發(fā)現(xiàn)主要在左側(cè)BA39區(qū)及鄰近的顳上回和顳中回低頻振幅值升高,認(rèn)為頭針可以促進(jìn)腦卒中患者康復(fù),其機制可能與感覺統(tǒng)合、語言加工、運動協(xié)調(diào)等局部功能活動的特殊變化有關(guān)。左側(cè)顳中回及其延伸至BA37,左側(cè)BA40、角回及其延伸至Ba7腦區(qū)的ReHo值均升高。

ALFF和fALFF的局限性在于不能分析全頻域信號,只能選擇特定頻率0.01～0.08 Hz進(jìn)行分析,以此評估特定腦區(qū)神經(jīng)元自發(fā)活動的程度。ALFF反映局部腦區(qū)神經(jīng)元活動的強度,局域一致性反映局部腦區(qū)神經(jīng)元活動的同步性,將二種研究方法相結(jié)合能更全面地反映局部腦功能的活動情況。在檢測神經(jīng)元活動異常腦區(qū)時,若一個腦區(qū)的ALFF和ReHo值同時改變,說明大腦功能活動在此處有較重的損害。LIANG等[16]研究發(fā)現(xiàn)在亞急性腦卒中患者中,較低的ALFF和ReHo值主要集中在與運動功能和認(rèn)知功能相關(guān)的腦區(qū),反映了亞急性腦卒中患者運動功能障礙可能是由大腦的運動和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)異常引起的。

2 功能整合

功能整合研究不同腦區(qū)BOLD信號之間相互關(guān)系,包括功能連接和有向連接2種形式,而腦網(wǎng)絡(luò)連接能夠有效地揭示腦功能的組織和整合。功能連接通過關(guān)聯(lián)大腦不同腦區(qū)活動來檢測區(qū)域之間的神經(jīng)交互,從而量化不同大腦區(qū)域的功能整合。有效連接指的是功能上相連的腦區(qū)之間的信息傳遞,反映一個腦區(qū)受其他腦區(qū)的影響而改變的程度。

2.1 種子點相關(guān)分析法在針灸治療腦卒中腦變化中的應(yīng)用 種子點相關(guān)分析法[17](Seed-based Correlation Analysis,SCA)是第1個在臨床環(huán)境中廣泛使用的功能連接(Functional Connection,FC)測量方法。SCA使用1個預(yù)定義的“種子”區(qū)域,提取該區(qū)域的時間序列,然后計算其與整個大腦皮質(zhì)內(nèi)各個體素的功能連接強度,進(jìn)而可以獲得種子區(qū)功能連接網(wǎng)絡(luò)圖。這個網(wǎng)絡(luò)圖中的每一個腦區(qū)均與種子點具有明顯相關(guān)性,由此得到一個靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)。這為臨床科研人員提供了1個實驗設(shè)計方案,首先根據(jù)實驗?zāi)康倪x取感興趣區(qū),然后通過計算該區(qū)域與剩余的全腦體素之間的功能連接強度,得到1個可靠的靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò),最后探究干預(yù)措施可能的中樞神經(jīng)系統(tǒng)治療機制。

LIU等[18]以左側(cè)輔助運動區(qū)為種子點,發(fā)現(xiàn)頭針治療大腦中動脈急性梗死患者后,左小腦中葉、左小腦后葉、小腦蚓體、梭形回、舌回、枕下回、楔前葉、BA7、BA18和BA19等腦區(qū)功能連接增加。以左側(cè)海馬旁回為種子點,頭針治療后,左側(cè)楔前、頂下回、中央旁小葉、BA5、BA6、BA7和BA40、右側(cè)正中扣帶回、楔前回、BA19、BA23和BA31等腦區(qū)功能連接增加。提示頭針可以調(diào)節(jié)優(yōu)勢半球大腦中動脈急性梗死患者的腦功能聯(lián)系,特異性地加強視覺、認(rèn)知、運動控制和計劃相關(guān)腦區(qū)之間的聯(lián)系,這可能是針刺改善運動和認(rèn)知恢復(fù)的潛在機制。易小琦等[19]以雙側(cè)初級運動皮質(zhì)區(qū)為種子點,發(fā)現(xiàn)腦卒中患者雙側(cè)初級運動皮質(zhì)的全腦功能連接(Functional Connectivity,FC)顯著弱于對照組,且出現(xiàn)FC減弱的腦區(qū)基本對稱,這稱為腦的功能同倫性。在腦卒中發(fā)生早期,雙側(cè)運動網(wǎng)絡(luò)主要FC減弱,提示腦卒中后腦損傷影響了雙側(cè)半球間運動皮質(zhì)的交流與合作,這可能是導(dǎo)致腦卒中患者運動功能障礙的神經(jīng)基礎(chǔ)。同時發(fā)現(xiàn)左側(cè)額上回功能連接增強,提示病灶周圍腦區(qū)腦卒中后發(fā)生功能重塑,對運動功能恢復(fù)起到促進(jìn)作用。針刺治療后,卒中組健側(cè)大腦半球FC增強,患側(cè)大腦半球FC減弱,提示針刺治療主要通過增強鏡像區(qū)域的神經(jīng)活動促進(jìn)運動恢復(fù)。

SCA是評估腦功能連接常用的方法。它的局限性在于這種方法嚴(yán)重依賴于種子點個數(shù)、位置等先驗信息選擇,并且種子選擇中的微小差異可能導(dǎo)致顯著不同的結(jié)果。然而,由于種子點的確立需要先驗知識,常會優(yōu)先考慮選用本方法,因為它會使組間比較更容易。該方法通過已知功能連接探索未知腦網(wǎng)絡(luò),靈敏度較高,適用于檢驗一個明確的先驗假設(shè)?？傊?SCA對種子區(qū)域內(nèi)的連通性變化高度敏感,但結(jié)果的可靠性在很大程度上取決于擁有正確的模型和假設(shè)。

2.2 獨立成分分析法在針灸治療腦卒中腦變化中的應(yīng)用 獨立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)法[20]最早在20世紀(jì)80年代提出,但直到1994年,ICA這項技術(shù)才逐漸被人們知道。ICA是一種多元數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析方法,原理是從1組測量的混合信號中提取有用的源信號。它將全腦信號分解成相互獨立的成分,然后直接將同一時間序列中具有較高貢獻(xiàn)程度的體素集合構(gòu)成1個網(wǎng)絡(luò)。它使用多變量的方法將整個數(shù)據(jù)集分解成時間上連貫的、空間上獨立的“分量”和相關(guān)的時間進(jìn)程[20]。ICA不是識別與感興趣區(qū)域相關(guān)的激活區(qū)域,不需要特定的先驗假設(shè),而是識別整個大腦中獨立的空間激活輪廓。ICA可以識別多個靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Resting-state Network,RSN),研究網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)間的FC[21]。

HAN等[22]研究發(fā)現(xiàn)針刺干預(yù)后,腦卒中患者運動前皮質(zhì)、輔助運動區(qū)與緣上回之間的功能連接性較健康對照組增強,提示針刺可調(diào)節(jié)腦卒中患者運動相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的腦可塑性。ZHANG等[23]也發(fā)現(xiàn)針刺重組了運動相關(guān)網(wǎng)絡(luò),包括初級運動皮質(zhì)、運動前皮質(zhì)、輔助運動區(qū)、額頂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、感覺運動網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò),認(rèn)為針刺治療可以調(diào)節(jié)腦卒中后的功能和結(jié)構(gòu)可塑性。以前的研究主要關(guān)注靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的功能連通性變化,包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)或網(wǎng)絡(luò)間的功能連接。FU等[24]研究首次關(guān)注靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的相互作用上。研究采用格蘭杰因果分析法,發(fā)現(xiàn)與健康受試者相比,腦卒中偏癱患者在靜息狀態(tài)下多個腦網(wǎng)絡(luò)之間顯示出更復(fù)雜的因果關(guān)系。在這些因果流中,感覺運動網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和額頂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是因果樞紐,感覺運動網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)輸出大部分信息到其他網(wǎng)絡(luò),而額頂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從其他網(wǎng)絡(luò)輸入大部分信息。提示針刺可能通過調(diào)制多個網(wǎng)絡(luò),在左額頂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和感覺運動網(wǎng)絡(luò)之間傳遞信息,以默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)作為中繼站來整合有效的連接網(wǎng)絡(luò)。

ICA有3點優(yōu)勢:1)可以良好地分離去除噪聲干擾;2)是一種不需要先驗假設(shè)或者先驗知識的數(shù)據(jù)處理方法;3)從大腦靜息態(tài)功能磁共振信號中分離出相互獨立的成分,最終形成擁有相似功能的腦功能網(wǎng)絡(luò)。但是獨立成分分析處理方法有4點不足:1)無法分離實驗所需的功能信號;2)不能確定分離出來的源信號個數(shù);3)由于這種分析方法與特定的認(rèn)知功能無特異的相關(guān)性,缺乏明確的生理學(xué)意義,對研究結(jié)果的解釋較困難;4)無法關(guān)注全腦網(wǎng)絡(luò),未能揭示腦區(qū)內(nèi)部的相互關(guān)系。

種子相關(guān)分析法和獨立成分分析的方法都可以揭示某一大腦網(wǎng)絡(luò),在某種程度上以上2種方法是相同的。

3 基于“圖論”研究在針灸治療腦卒中腦變化中的應(yīng)用

圖論是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析的一種方法,反映全腦腦區(qū)間的連接功能。腦卒中后大腦皮質(zhì)的重組有助于運動功能的恢復(fù)。然而,大部分研究更多地關(guān)注運動相關(guān)腦區(qū)和運動執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的重組,而忽略了運動功能恢復(fù)過程中全腦網(wǎng)絡(luò)的變化。2005年,SPORNS等[25]提出”人腦連接組”概念,認(rèn)為可以從3個尺度進(jìn)行腦網(wǎng)絡(luò)的研究:以單個神經(jīng)元和突觸水平為研究對象的微尺度,以神經(jīng)集群為研究對象的中尺度以及以人腦腦區(qū)為研究對象的大尺度。由于目前技術(shù)水平有限,而且神經(jīng)元和神經(jīng)集群數(shù)量大,關(guān)系復(fù)雜,因此從微尺度、中尺度層面構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)難度較大,難操作。相比而言,人腦腦區(qū)數(shù)量較少,因此以腦區(qū)為研究對象構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)研究大腦重塑機制可行。2005年SALVADOR等[26]借助rs-fMRI技術(shù)構(gòu)建大尺度的全腦功能網(wǎng)絡(luò),這是人類第一次嘗試并應(yīng)用圖論分析計算該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫再|(zhì)。圖論將大腦建模為由一定數(shù)量的節(jié)點通過邊連接構(gòu)成的腦網(wǎng)絡(luò)[27]。在該網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點代表大腦區(qū)域,而邊代表節(jié)點之間的關(guān)系,如功能連接性。經(jīng)過腦網(wǎng)絡(luò)建模后,各種圖論屬性指標(biāo)可以揭示腦網(wǎng)絡(luò)的組織機制。圖論研究方法的優(yōu)勢在于不僅將大腦所有元素之間整體連接模式可視化,還可以定量地描述全腦的全局組織特征。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩钥捎脕碓u價網(wǎng)絡(luò)特征。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾悼煞譃?大類,一類稱全局網(wǎng)絡(luò)指標(biāo),包括小世界屬性值、網(wǎng)絡(luò)全局效率、網(wǎng)絡(luò)局部效率、同配性系數(shù);另一類稱節(jié)點網(wǎng)絡(luò)指標(biāo),包括介數(shù)中心性、度中心性、節(jié)點效率、節(jié)點局部效率[28]。WATTS和STROGATZ[29]于1998年最早提出“小世界網(wǎng)絡(luò)”?？坍嬓∈澜缇W(wǎng)絡(luò)的常用網(wǎng)絡(luò)度量是聚類系數(shù)、特征路徑長度。聚類系數(shù)表達(dá)的是某一節(jié)點的鄰接節(jié)點之間相互連接的程度,聚類系數(shù)越高,反映腦網(wǎng)絡(luò)對于信息“模塊化”處理能力越強。特征路徑長度則是指2個節(jié)點之間所有可能通路中的最優(yōu)路徑。網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度越短,則該網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間的信息處理與傳遞速率越快,網(wǎng)絡(luò)的總體效率越高。聚類系數(shù)和特征路徑長度分別量化網(wǎng)絡(luò)的局部信息處理效率和全局信息傳輸效率。網(wǎng)絡(luò)效率是評價該網(wǎng)絡(luò)整體信息傳遞速率的主要指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)局部效率是評價該網(wǎng)絡(luò)整體信息傳遞容錯率的主要指標(biāo)。

HAN等[30]研究發(fā)現(xiàn)與健康人相比,腦卒中患者靜息狀態(tài)下的小世界屬性值、網(wǎng)絡(luò)全局效率、網(wǎng)絡(luò)局部效率均降低。針刺可改善患者的聚類系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)局部效率,但對小世界屬性值、網(wǎng)絡(luò)全局效率無明顯影響。腦卒中后全腦網(wǎng)絡(luò)效率降低。以上結(jié)果提示基于圖論屬性的全腦網(wǎng)絡(luò)功能分析可敏感反映腦卒中患者腦網(wǎng)絡(luò)重塑變化。陳蕊等[31]研究腦卒中患者運動功能康復(fù)過程中大腦功能網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩宰兓?guī)律,選取連接數(shù)、全局效率、平均度、聚類系數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn),在患病前期,連接數(shù)和全局效率與病情負(fù)相關(guān),隨著病情好轉(zhuǎn),連接數(shù)與全局效率下降。40 d以后,腦功能網(wǎng)絡(luò)參數(shù)呈上升趨勢。這可能與腦卒中患者在患病初期健側(cè)腦半球過分激活而患側(cè)腦半球過分抑制有關(guān),這提示我們可以根據(jù)全腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)觀察轉(zhuǎn)折點的時間。積極利用大腦的恢復(fù)期,及早治療,適當(dāng)訓(xùn)練,都可以提高患者恢復(fù)程度。同時發(fā)現(xiàn)初級運動皮質(zhì)的連接數(shù)在前期明顯減少,后期相應(yīng)的聚類系數(shù)變大,而輔助運動區(qū)、運動前區(qū)皮質(zhì)等局部區(qū)域聚類系數(shù)前期增大,轉(zhuǎn)折點之后又逐漸減小。局部與全局聚類系數(shù)改變不同可能是因為在正常情況下,輔助運動區(qū)、運動前區(qū)皮質(zhì)等區(qū)域參與運動功能作用很小。當(dāng)腦卒中損傷主要的運動皮質(zhì)后,輔助運動區(qū)、運動前區(qū)皮質(zhì)等區(qū)域會功能重塑,由于代償作用,出現(xiàn)聚類系數(shù)變大;隨著病情逐漸好轉(zhuǎn),這些區(qū)域的運動激活逐漸減小,聚類系數(shù)變小。由此可知,全局參數(shù)、局部輔助運動區(qū)、運動前區(qū)皮質(zhì)、健側(cè)M1區(qū)域的參數(shù)某種程度上可以評估運動功能。

基于圖論的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)分析不需要根據(jù)腦圖譜劃分腦區(qū)探究腦功能網(wǎng)絡(luò),從而排除了因為不同腦圖譜導(dǎo)致構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)存在差異的可能性。這是其較上述方法最大的一個優(yōu)勢。同時,圖論可以反映各個腦區(qū)的相互聯(lián)系,并且揭示某個腦網(wǎng)絡(luò)與全腦網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。人類大腦信息的功能分離和功能整合對應(yīng)“小世界”網(wǎng)絡(luò)特性,圖論是闡明腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一個重要的工具。但是,基于圖論的方法尚不能構(gòu)建動態(tài)的腦功能網(wǎng)絡(luò),未能構(gòu)建反映神經(jīng)纖維連接及活動方向性的腦網(wǎng)絡(luò),這些都是需要在今后的研究工作中繼續(xù)探索的。

4 體素鏡像同倫連通性在針灸治療腦卒中腦變化中的應(yīng)用

功能同倫,即幾何上對應(yīng)的半球間(即同倫)區(qū)域之間自發(fā)活動的高度同步性,是大腦內(nèi)在功能結(jié)構(gòu)的一個基本特征。研究已經(jīng)表明兩大腦半球間同倫連接是腦功能構(gòu)架的基本原理,是整合認(rèn)知、行為、意識這些腦功能的基礎(chǔ)。體素-鏡像同倫連接是基于體素的內(nèi)源性功能連接數(shù)據(jù)處理方法,是用來描述左右大腦半球相同起源的神經(jīng)元內(nèi)源性自發(fā)活動高度相似性的方法[32]。作為大腦固有功能結(jié)構(gòu)的一個基本特征,功能同倫反映了每個半球幾何對應(yīng)(即同倫)區(qū)域之間自發(fā)活動的高度同步性,可以用靜息狀態(tài)功能連通性方法進(jìn)行研究。體素鏡像同倫連通性(Voxel-mirrored Homotopic Connectivity,VMHC)方法探索一個半球中的每個體素的時間序列與其在另一個半球中的對應(yīng)體素的時間序列之間的靜止?fàn)顟B(tài)功能連接。體素鏡像同倫連接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于評估病理狀況下同倫區(qū)域功能連接情況,涉及的有腦卒中、神經(jīng)運動障礙、精神分裂癥、抑郁癥、成癮等多項相關(guān)的疾病[33,36]。在腦卒中偏癱的康復(fù)過程中,局部梗死總是影響遠(yuǎn)程大腦功能,不僅涉及感覺運動網(wǎng)絡(luò),還涉及認(rèn)知和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)?；谌X的功能連接方法VMHC將比其他數(shù)據(jù)處理方法提供更多的全局信息[37]。腦功能重組和結(jié)構(gòu)重塑與腦卒中康復(fù)預(yù)后密切相關(guān)。大腦雙側(cè)調(diào)節(jié)和協(xié)作對運動恢復(fù)有顯著影響。從生理上講,人類活動的每一項成就都是左右半球控制的資源分配和執(zhí)行的過程。VMHC方法的應(yīng)用將增加對皮層下梗死后雙側(cè)同位區(qū)域功能變化的了解,將使我們對針刺誘導(dǎo)的腦功能恢復(fù)有一個全面的認(rèn)識。

SHAN等[38]比較橋腦梗死患者急性期和健康對照者之間相關(guān)大腦區(qū)域的變化,發(fā)現(xiàn)VMHC增高的區(qū)域有中央前回、中央后回、楔前葉、扣帶后回,VMHC降低的區(qū)域有海馬、杏仁核和額極。然后選取VHMC有顯著性差異的腦區(qū)為種子點,研究發(fā)病6個月內(nèi)VMHC值的變化。研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)病后14～30 d,與健康對照組相比,中央前回、中央后回、楔前葉、扣帶后回的VHMC連接強度均降低,90 d后,中央前回、中央后回VHMC連接強度逐漸恢復(fù)正常,但是楔前葉、扣帶后回的VHMC連接強度始終低于正常水平。海馬、杏仁核和額極VMHC連接強度均高于健康對照組。同時發(fā)現(xiàn)海馬、杏仁核和額極與FMA評分負(fù)相關(guān)關(guān)系。TANG等[39]應(yīng)用VMHC分析方法來探究腦卒中患者同源區(qū)域之間的功能連接情況,發(fā)現(xiàn)雙側(cè)中央前回、中央后回、顳中回、額下回、距狀隱回、丘腦、小腦前葉和小腦后葉皮層VMHC降低。說明慢性腦卒中患者大腦半球間的功能協(xié)調(diào)受損。同時將小腦后葉皮層的VMHC值與Fugl-Meyer評價(Fugl-Meyer Assessment,FMA)評分、病程做相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)與FMA評分正相關(guān),與病程顯著負(fù)相關(guān)。提示了小腦后葉皮層可作為腦梗死后手部活動康復(fù)的目標(biāo)區(qū)域。上述研究結(jié)果說明雙側(cè)半球同倫功能連接在偏癱患者運動功能康復(fù)中具有重要作用。LIU等[40]對急性期缺血性腦卒中功能障礙患者行頭針治療,探討患者大腦半球間功能連接變化,研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)BA6、BA8為主的腦區(qū)VMHC值增強。BA6和BA8共同構(gòu)成運動前皮質(zhì)區(qū)。運動前區(qū)具有廣泛的脊髓纖維投射,且與胼胝體有廣泛接觸,因此更有利于控制雙側(cè)運動[41]?？梢酝茰y頭針可能是通過加強雙側(cè)額葉運動調(diào)控相關(guān)腦區(qū)的連通性,促進(jìn)大腦半球之間代償性運動通路的形成、腦功能的重組,最終促進(jìn)患者運動功能恢復(fù)[40]。江瀾[42]研究發(fā)現(xiàn),針刺治療前,腦卒中偏癱患者在雙側(cè)小腦為主的腦區(qū)VMHC減弱;針刺治療后,腦卒中偏癱患者在雙側(cè)海馬附近區(qū)域、雙側(cè)基底節(jié)區(qū)、雙側(cè)丘腦、雙側(cè)扣帶回及雙側(cè)中央旁小葉為主的腦區(qū)VMHC減弱。以上說明針刺可能通過調(diào)節(jié)脊髓小腦的功能而促進(jìn)運動系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行功能整合。針刺可以通過調(diào)節(jié)雙側(cè)半球的同倫功能,促進(jìn)運動功能的變化。

VMHC反映了大腦兩半球間溝通和協(xié)調(diào)功能以及疾病病理生理狀況,用來分析兩側(cè)腦半球間的協(xié)作活動,可以量化每個體素的功能連通性,是一種新穎的研究大腦同倫功能關(guān)系的數(shù)據(jù)處理方法。其局限性在于不能分析局部腦區(qū)功能活動,在大腦同源功能連接方面優(yōu)勢明顯。

5 基于體素水平的度中心性在針灸治療腦卒中腦變化中的應(yīng)用

度中心性(Degree Centrality,DC)在圖論和網(wǎng)絡(luò)分析中用以衡量節(jié)點在連通圖或網(wǎng)絡(luò)中的重要性。DC可以反映腦區(qū)在全腦中的重要程度。將某個節(jié)點(腦區(qū))作為中心點,使各節(jié)點(腦區(qū))有機地連接起來,形成一個完整的腦網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點的度中心性增加時,代表該節(jié)點與周圍節(jié)點建立了更多的連接,即神經(jīng)元的“重塑”;當(dāng)節(jié)點的度中心性減少時,代表該節(jié)點與周圍節(jié)點的連接切斷,甚至變成孤立節(jié)點,即神經(jīng)元的“損傷”。是評價節(jié)點重要性的指標(biāo)。該方法使腦網(wǎng)絡(luò)連接更完整、快捷,更加有效地利用信息資源,從而更好地體現(xiàn)大腦功能的改變[43]。目前利用DC方法研究針刺對腦卒中后康復(fù)的腦功能重塑機制的報道相對較少。

JIANG等[44]研究腦橋(Pons,PS)和放射冠(Corona Radiata,CR)局灶性缺血性卒中患者腦區(qū)度中心性值變化情況,發(fā)現(xiàn)PS或CR腦卒中患者在雙側(cè)扣帶回的前后部、額眶下回DC值增加,在雙側(cè)楔葉、距骨核和楔前葉DC值減少。說明腦橋或放射冠局灶性缺血性腦卒中導(dǎo)致功能網(wǎng)絡(luò)中樞的廣泛改變,也許這些異常的腦區(qū)與腦卒中后運動功能恢復(fù)機制緊密相關(guān),為臨床制定康復(fù)計劃提供參考信息。

DC以圖論為基礎(chǔ)度量腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),反映腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)功能連接的情況,不需要預(yù)先設(shè)定種子點或者選擇特定腦區(qū),可以避免任何選擇偏倚。該方法可評估某個腦區(qū)在全腦中的重要性、功能上分離的腦區(qū)間整合信息的重要性,被認(rèn)為是最可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點指標(biāo)。中心度分析方法為全腦功能網(wǎng)絡(luò)的功能連接的模式及復(fù)雜程度提供一種新穎的視角。

6 fMRI研究局限性

目前,fMRI研究存在一定的局限性:1)因目前技術(shù)水平的限制,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的選擇以體素或者腦區(qū)為主,僅僅局限在大腦不同區(qū)域之間的聯(lián)系,而無法揭示深層神經(jīng)元或神經(jīng)元集群的連接關(guān)系,使得針刺中樞機制研究仍停留在較大尺度水平上,難以解釋針刺在更細(xì)微的神經(jīng)元之間是如何進(jìn)行效應(yīng)傳遞;2)大部分是基于小樣本、橫斷面研究設(shè)計,某些研究結(jié)論之間互相矛盾,大部分研究結(jié)論有待進(jìn)一步驗證;3)有效連接能夠反映2個節(jié)點有向的因果效應(yīng),但該類研究相對較少。未來倡導(dǎo)多學(xué)科并舉,傳統(tǒng)理論與現(xiàn)代技術(shù)交叉融合,將以fMRI為代表的多模態(tài)影像技術(shù)融合應(yīng)用于針刺研究并構(gòu)建出針刺治療中風(fēng)的特異性腦效應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

7 小結(jié)

針灸治療腦卒中后偏癱機制復(fù)雜,rs-fMRI為探索卒中患者大腦內(nèi)部活動提供了豐富的信息,處理分析這些信息的方法層出不窮,從不同的角度揭示腦卒中患者腦功能的變化,有助于闡明腦卒中后神經(jīng)重塑性的神經(jīng)生理學(xué)機制。

利益沖突聲明:無。