基于fNIRS對女性不同膀胱狀態(tài)下盆底肌收縮任務的前額葉激活情況

徐正嫻 潘偉婷 于燦燦 周星辰 石嬌 王敏 陳尚杰

基金項目：國家自然科學基金面上項目（81973922）；深圳市寶安區(qū)衛(wèi)生健康局區(qū)醫(yī)學重點學科（2022-2025）專項

作者單位：233000? ?蚌埠，蚌埠醫(yī)學院研究生院（徐正嫻，于燦燦，周星辰，陳尚杰）；518000? ?深圳，深圳大學第二附屬醫(yī)院康復科（潘偉婷，石嬌，陳尚杰）；233000? ?蚌埠，蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院康復科（王敏）

通信作者：陳尚杰，E-mail： csjmesz@sina.com

【摘要】目的 為探討前額葉在人體控尿功能中發(fā)揮的作用提供神經(jīng)影像學依據(jù)。方法 利用近紅外腦功能成像技術（fNIRS）收集20名健康成年女性志愿者膀胱充盈和空虛狀態(tài)下盆底肌收縮時大腦前額皮層的血流動力學數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行相應的處理，通過分析各個通道所提取的氧合血紅蛋白濃度的相對變化量所對應的Beta值，對比前額葉不同腦區(qū)間激活情況差異。結果 膀胱充盈狀態(tài)下前額皮層共有30個通道激活，膀胱空虛狀態(tài)下前額皮層共有8個通道激活（P均< 0.05），其中共同激活通道有7個；相較于空虛狀態(tài)，膀胱充盈時的前額葉激活更明顯，且以右側腦區(qū)激活為主，差異主要體現(xiàn)在右側背外側前額葉和額極（P均< 0.05）。結論 盆底肌收縮運動可以使大腦前額皮層被激活。當膀胱處于充盈狀態(tài)時大腦前額皮層可能會通過神經(jīng)反射活動感知膀胱的壓力變化，從而參與調控盆底肌的自主舒縮運動，實現(xiàn)其在人體控尿功能中的作用，其中右側背外側前額葉腦區(qū)在此過程中發(fā)揮的作用可能更為明顯。

【關鍵詞】近紅外腦功能成像技術；前額葉；盆底肌收縮；膀胱狀態(tài)；女性

fNIRS-based study of prefrontal cortex activation during pelvic floor muscle contraction in women under different bladder states Xu Zhengxian△， Pan Weiting， Yu Cancan， Zhou Xingchen， Shi Jiao， Wang Min， Chen Shangjie.△Graduate School， Bengbu Medical College， Bengbu 233000， China

Corresponding author： Chen Shangjie， E-mail： csjmesz@sina.com

【Abstract】Objective To provide a neuroimaging basis for exploring the role of the prefrontal cortex in human urinary control function. Methods Hemodynamic data from the prefrontal cortex of the brain during the task of pelvic floor muscle contraction from 20 healthy female volunteers were collected using functional near-infrared spectroscopy （fNIRS） under two different states of bladder filling and emptying， and these data were processed accordingly to compare the differences in the activation state among different brain compartments of the prefrontal cortex by analyzing the Beta values corresponding to the relative amount of changes in the concentration of oxyhemoglobin extracted from each individual channel. Results A total of 30 channels were activated during bladder filling， whereas 8 channels were activated during bladder emptying （all P < 0.05）， including 7 co-activated channels. The prefrontal cortex activation was more significant during bladder filling than bladder emptying， and the activation was predominantly in the right prefrontal cortex， with the differences mainly in the right dorsolateral prefrontal cortex and frontopolar cortex （all P < 0.05）. Conclusions The prefrontal cortex can be activated by pelvic floor muscle contraction. Under the state of bladder filling， the prefrontal cortex may perceive the pressure change of the bladder through neural reflex activity and thus participate in the regulation of the voluntary pelvic floor muscle contraction， plays a role in human urinary control function. The right dorsolateral prefrontal cortex region possibly plays a more significant role in this process.

【Key words】Functional near-infrared spectroscopy； Prefrontal cortex； Pelvic floor muscle contraction； Bladder state；

Female

人腦高級中樞能夠通過完整的反射弧接受來自膀胱壁上的壓力感受器信號，并對其做出反饋參與調控人體的排尿和儲尿行為?，F(xiàn)有理論認為膀胱自然充盈到400～500 mL時，膀胱壁的壓力感受器會產(chǎn)生興奮，通過傳入神經(jīng)至相應的脊髓節(jié)段再到腦干的中腦導管周圍灰質區(qū)（PAG），上傳至大腦皮層進行信息整合，對是否排尿做出判斷［1］。此過程中的任一流程出現(xiàn)問題均會導致人體的排尿功能出現(xiàn)障礙。研究表明，70%～84%的脊髓損傷患者伴有神經(jīng)源性下尿路功能障礙［2］，其中高達90%的女性患者在其生活中會經(jīng)歷一定程度的控尿功能障礙，尤其是尿失禁［3］。

前額葉皮質（PFC）是額葉較為靠前的腦區(qū)，同時占據(jù)額葉較大區(qū)域，在抽象思維、決策制定、預測行為以及心理情感表達等方面發(fā)揮重要作用，涉及大腦的諸多高級功能［4-5］?，F(xiàn)有研究顯示，PFC是對膀胱活動信息進行分析并對排尿動作進行判斷的重要腦區(qū)［6］。還有研究顯示，當膀胱產(chǎn)生強烈的急迫感時，PAG可能會受PFC反饋指令啟動“備份機制”激活大腦運動皮層，然后收縮盆底肌緩解排尿沖動［7］。但是，目前關于大腦皮層在下尿路神經(jīng)控制方面的研究相對較少，因此，PFC在腦-膀胱生理反射過程中的具體調節(jié)通路尚不明確［8］。

近紅外腦功能成像（fNIRS）是利用650～

950 nm的近紅外光可穿透生物組織的特性適時記錄腦血流量的腦影像技術。該技術比腦電圖的空間分辨率更高、操作簡單、方便快捷，也比MRI的花費成本低，而且輕巧便利、可隨時移動。因此，該技術目前已被廣泛應用于腦卒中后的運動康復、心理障礙、認知障礙等諸多神經(jīng)病變的研究和診斷［9-10］。故本研究應用該新興技術為前額葉不同腦區(qū)在控尿功能中發(fā)揮的作用提供神經(jīng)影像學方面的依據(jù)，為進一步優(yōu)化常見控尿功能障礙的療法提供參考。

對象與方法

一、研究對象

本研究組于2023年1月至4月在深圳市公開隨機招募健康成年女性志愿者作為研究對象。考慮到本研究為探索性觀察性研究，參考以往fNIRS相關研究樣本量設置以及數(shù)據(jù)分析所需標準，共納入20名志愿者，其年齡為（30.4±2.4）歲，BMI為（20.4±1.2）kg/m2，其中14人產(chǎn)次< 2次，6人產(chǎn)次≥2次。納入標準：①右利手；②年齡18～40歲；③認知功能正常，能配合完成研究；④無盆底神經(jīng)肌肉組織、臟器損傷和功能障礙；⑤無中樞神經(jīng)系統(tǒng)和其他器官病變。排除標準：①存在顱腦損傷或進行過顱腦手術；②存在脊髓損傷或進行過脊髓手術；③存在腹部創(chuàng)傷或進行過腹部手術；④伴有惡性腫瘤或嚴重的系統(tǒng)性疾?。虎荽嬖诰駟栴}；⑥近期服用過可使人興奮的食物及藥物；⑦有長期飲酒熬夜等不良習慣；⑧試驗前1 h進行了劇烈運動。本研究通過深圳大學第二附屬醫(yī)院的倫理審查（批件號：BYL20220506），并在中國臨床試驗注冊中心注冊（注冊號：ChiCTR2200067055），研究對象均自愿參與本研究并簽署知情同意書。

二、研究方法

1. 任務模式

本實驗采用區(qū)塊設計方法：任務期以最大力量收縮盆底肌之后保持盆底肌的收縮狀態(tài)5 s、再放松5 s，耗時10 s，總共收縮3次，時間為30 s，然后休息20 s，任務期加上休息時間為50 s。此過程重復進行5次，時間為250 s。在任務測試前有20 s的靜息數(shù)據(jù)采集，整個流程耗時270 s。

2. fNIRS數(shù)據(jù)收集

本研究儀器為武漢資聯(lián)虹康公司的依瑞德近紅外腦功能成像系統(tǒng)（BS-3000），其波長為690 nm和830 nm，采樣頻率為20 Hz。配套的光纖帽有12個發(fā)射光極、12個接收光極和37個通道，根據(jù)布魯?shù)侣X部分區(qū)將光纖帽通道所覆蓋的前額葉分為4個腦區(qū)，分別是腹外側前額葉（VLPFC）、背外側前額葉（DLPFC）、額極（FPC）和眶額區(qū)（OFC），見圖1。在進行實驗之前，確保每位受試者學會正確的盆底肌收縮運動。在進行fNIRS檢測前，需要排空膀胱，且在15 min內口服1 000 mL的飲用水等待膀胱充盈，直至第1次產(chǎn)生膀胱充盈感或有想排空膀胱的感覺［11］，通過經(jīng)腹超聲檢查明確膀胱處于充盈狀態(tài)。受試者取坐位，充分放松四肢和軀干，避免說話、搖頭等額外動作，戴好 fNIRS 光纖帽，矯正帽子上的光極，使其與頭皮充分接觸。制作同步的270 s視頻以減少聲音干擾，受試者可根據(jù)視頻提示（收縮、休息）做出相應動作，其間保持平靜呼吸。膀胱充盈時的近紅外數(shù)據(jù)收集完成之后囑研究對象排空膀胱，休息3 min

后以同樣流程收集膀胱空虛時的近紅外數(shù)據(jù)。

3. fNIRS數(shù)據(jù)處理

利用Matlab軟件運行Homer2工具箱對37個通道的原始數(shù)據(jù)進行預處理［12］：①將原始光強轉為光密度數(shù)據(jù)；②運動偽影識別，減少身體微動產(chǎn)生的干擾因素；③用條樣插值法去除運動偽影［13］，對數(shù)據(jù)進行修補；④用0.01～0.10 Hz帶通濾波去除外界和自身因素的干擾信號；⑤根據(jù)修正版朗伯比爾定律（Lambert-Beer law），將光密度數(shù)據(jù)轉換為信噪比較高的氧合血紅蛋白（Oxy-Hb）濃度變化值［14］；⑥疊加平均每個區(qū)塊的血流動力學數(shù)據(jù)。再通過NIRS-KIT工具箱對數(shù)據(jù)進行分析：對Oxy-Hb變化值建立一般線性模型（GLM）估算盆底肌收縮任務下每個通道所對應的參數(shù)Beta值［15］，作為此次研究的主要觀察指標。然后利用NIRS-KIT工具箱的組水平分析板塊分別對膀胱充盈狀態(tài)和膀胱空虛狀態(tài)下的2組Beta值數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，其中組內數(shù)據(jù)比較采用單樣本t檢驗，以P < 0.05為激活通道；2組間數(shù)據(jù)比較采用配對樣本t檢驗，以P < 0.05為差異通道。

三、統(tǒng)計學處理

利用Excel表格統(tǒng)計前額葉左右腦區(qū)和前額葉左右不同分區(qū)所對應各個通道Beta值，然后利用SPSS 23.0軟件進行統(tǒng)計學分析。其中符合正態(tài)分布的計量資料采用配對樣本t檢驗，以表示；非正態(tài)分布計量資料采用Wilcoxon符號秩和檢驗，以M（P25，P75）表示。P < 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結果

一、膀胱充盈與空虛狀態(tài)下大腦前額皮層腦區(qū)的激活情況

膀胱充盈狀態(tài)下對各通道提取的Beta值進行單樣本t檢驗并作圖，結果顯示：相較于靜息期，在進行盆底肌收縮任務時，前額皮層明顯激活，總共有30個通道的Beta值P < 0.05，且4個腦區(qū)均有不同程度的激活，分別為背外側前額葉（通道4/7/9/10/11/12/16/19/20/21/26/28/32/34）、額極（通道13/15/17/18/22/23/25/27）、腹外側前額葉（通道1/2/3/6/35/37）以及眶額區(qū)（通道14/24），見圖2A。

以同樣的方法，對膀胱空虛狀態(tài)下的各通道的Beta值進行統(tǒng)計分析，結果顯示：前額皮層也有部分腦區(qū)被激活，有8個通道的Beta值P < 0.05，分別為背外側前額葉（通道10/11/28）、額極（通道15/23/27）以及腹外側前額葉（通道2/30），見圖2B。

2種膀胱狀態(tài)下共同激活的通道共7個，分別是背外側前額葉（通道10/11/28）、額極（通道15/23/27）和腹外側前額葉（通道2）。

二、膀胱充盈與空虛狀態(tài)下大腦前額皮層腦區(qū)激活情況對比

1. 膀胱充盈與空虛狀態(tài)下大腦前額皮層激活通道的差異

對膀胱充盈與空虛狀態(tài)下前額皮層各通道Beta值進行配對樣本t檢驗，4個通道的差異均具有統(tǒng)計學意義（P均< 0.05），見表1。

2. 膀胱充盈與空虛狀態(tài)下大腦前額皮層不同腦區(qū)激活的差異

對膀胱充盈與空虛狀態(tài)下前額葉左右腦區(qū)的激活情況進行對比：膀胱充盈下的右側腦區(qū)激活更明顯（P < 0.05），見表2。對前額葉左右不同腦區(qū)進行對比：膀胱充盈與空虛狀態(tài)下的右側背外側前額葉和額極激活存在差異（P均< 0.05），見表3。其中眶額區(qū)被覆通道較少，無法進行詳細的比較分析。

討論

既往腦功能成像方法以功能磁共振（fMRI）、正電子發(fā)射算機斷層顯像（PET）和腦電圖為主。fNIRS通過光學原理檢測血氧濃度，與PET相比對人體更為安全；fMRI和腦電圖更偏向于監(jiān)測靜息狀態(tài)下的大腦活動［16］，fNIRS剛好彌補了兩者的短板，不僅能夠對全腦進行監(jiān)測，還可以將大腦皮層分為不同的興趣區(qū)記錄局部腦區(qū)活動，為探究特定腦區(qū)位置和人體功能活動之間的對應關系提供了便利［17］。目前，fNIRS因其抗干擾、便捷等優(yōu)勢已被廣泛應用于臨床上難以操控的肌肉活動和磁電干預下的腦功能評定。

本研究應用fNIRS技術記錄膀胱充盈和空虛狀態(tài)下盆底肌收縮時前額皮層的血氧動態(tài)數(shù)據(jù)。結果顯示，2種膀胱狀態(tài)下執(zhí)行盆底肌收縮任務時前額皮層均有不同程度的激活，而充盈狀態(tài)前額皮層激活更為顯著。有學者發(fā)現(xiàn)額葉病變的患者會出現(xiàn)尿急、尿失禁等臨床癥狀，當額葉內腫瘤蔓延至前額皮層會影響排尿中心、產(chǎn)生下尿路癥狀［18］，腦功能成像研究顯示前額皮層、島葉以及扣帶皮層與人體自主控尿功能密切相關［19-20］。

本研究通過膀胱充盈時自主收縮盆底肌來模擬特殊情況下不宜排尿時抑制排尿的行為，并與膀胱空虛時單純的盆底肌收縮進行對比，發(fā)現(xiàn)膀胱充盈時右側前額皮層顯著激活。排尿在很大程度上由右腦控制［1］，臨床研究顯示右側額葉出血與尿失禁相關，隨著右側前額皮層出血灶的吸收，患者癥狀逐漸好轉［21］。本研究結果與現(xiàn)有研究結論相一致，由此推測右側前額皮層在控尿過程中發(fā)揮的作用可能更為突出。通過進一步的分析發(fā)現(xiàn)右側DLPFC和FPC在2種膀胱狀態(tài)下的激活情況存在差異。前額皮層中負責執(zhí)行功能的大腦區(qū)域主要是雙側的背外側前額葉，其主要功能包括接收來自不同感官模式的輸入、保持注意力、監(jiān)控并執(zhí)行工作任務中的信息以及協(xié)調目標導向等行為［22-23］。此外，背外側前額葉還參與任務設置和監(jiān)測［24］，同時與運動系統(tǒng)緊密聯(lián)系，參與動作的選擇和執(zhí)行［25］。最新提出的膀胱控制工作模型提示膀胱充盈擴張的感覺通過丘腦后可激活外側前額皮層，減少對中腦導水管周圍灰質PAG的輸出，從而抑制排尿反射［26］。人在感到排空沖動時會有意識地收縮盆底肌，從而抑制逼尿肌收縮，形成一種保護反射［27］。既往研究表明，健康女性在接受膀胱擴張的內臟刺激時可激活背外側前額葉［28］，當大腦對空虛的欲望越強，雙側背外側前額葉的激活就越強，提示背外側前額葉可能與內部感受刺激的監(jiān)測和膀胱狀態(tài)的感知有關［29］。額極位于前額皮層較為靠前的位置，是靈長類動物獨有的細胞結構區(qū)域，與其相關的神經(jīng)成像研究大部分探討的是認知功能［30］，包括工作記憶、任務規(guī)劃和行為探索等功能［31］。雖然目前沒有直接證據(jù)表明額極與人體正常控尿功能存在聯(lián)系，但是有研究顯示額極在前額皮層中存在廣泛的功能連接并與外側前額皮層聯(lián)系密切［32］。此外，額極與扣帶皮層以及前運動皮層也存在緊密聯(lián)系［33］。

腦-膀胱神經(jīng)傳導通路研究仍然存在挑戰(zhàn)，目前的研究設計和參數(shù)設置的不統(tǒng)一造成了結果偏差［34-35］。本研究旨在觀察女性受試者在不同膀胱狀態(tài)下的自主盆底肌收縮運動前額皮層的激活特征，結果可能會受個體差異的影響，例如盆底肌肌力的不同造成盆底肌激活模式差異、受試者對自身盆底肌協(xié)調性的把握以及對膀胱充盈刺激的敏感度等。以后將在本研究的基礎上繼續(xù)優(yōu)化方案，增加樣本量檢測整個額葉，著重分析背外側前額葉與其他腦區(qū)的功能連接情況，完善實驗結果。

綜上所述，fNIRS技術未來可以被應用于人體控尿中樞的影像學研究。背外側前額葉是前額皮層的重要部分，其對膀胱充盈刺激的感受和控尿方面的作用不容忽視。對于大腦如何系統(tǒng)感知膀胱的壓力變化并進行信息整合，如何通過調節(jié)盆底肌的自主舒縮運動發(fā)揮其在控尿過程中的作用等方面仍有待深入研究。

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（收稿日期：2023-07-24）

（責任編輯：洪悅民）