兒童屈光參差性弱視立體視覺中樞區(qū)激活的fMRI遠(yuǎn)期研究

李 陽,燕振國,曹 虹,楊 磊,馬強(qiáng)華

兒童屈光參差性弱視立體視覺中樞區(qū)激活的fMRI遠(yuǎn)期研究

李 陽1,2,燕振國2,曹 虹2,楊 磊2,馬強(qiáng)華3

作者單位:1(730000)中國甘肅省蘭州市,蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院;(730050)中國甘肅省蘭州市,蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院2眼科中心;3核磁診斷中心

目的:運(yùn)用血氧水平依賴性功能核磁共振成像技術(shù)(BOLD-functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)階段性評價(jià)屈光參差性弱視兒童在規(guī)范弱視訓(xùn)練后視皮質(zhì)相關(guān)功能區(qū)激活情況。

兒童;屈光參差;弱視;功能磁共振成像;立體視覺

引用:李陽,燕振國,曹虹,等.兒童屈光參差性弱視立體視覺中樞區(qū)激活的fMRI遠(yuǎn)期研究.國際眼科雜志2015;15(11): 1980-1983

0 引言

在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中,存在一段對外界環(huán)境刺激非常敏感的階段,此階段稱為關(guān)鍵期(critical period)。運(yùn)用縫合幼貓單眼的方式研究得出,對于視皮層神經(jīng)元改變最大的是在出生后4～8wk,隨著年齡增長,這種變化會逐漸減弱。至成年時,縫合貓單眼不會對視皮層神經(jīng)元造成損害[1]?，F(xiàn)弱視治療集中于以遮蓋療法為主的綜合治療,但由于視覺系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵期影響,弱視治療與患者就診時間、治療規(guī)范程度、治療時間都有密切關(guān)系,但在治療時間的終止點(diǎn)上并沒有明確規(guī)定,本試驗(yàn)規(guī)律隨訪患兒并對其進(jìn)行fMRI掃描,以期能在視中樞水平上探知弱視治療終止點(diǎn),并為業(yè)內(nèi)同行提供參考。血氧水平依賴性功能核磁共振成像技術(shù)(BOLD-functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)基于血管內(nèi)氧合血紅蛋白濃度變化,無創(chuàng)、立體地反映活體大腦的功能,從整體水平了解弱視腦功能損害特點(diǎn),為弱視治療后腦功能變化提供依據(jù)[2]。

1 對象和方法

1.1 對象初診年齡4～12歲屈光參差性弱視兒童13例,男6例,女7例,平均年齡7.3±2.5歲。由于在之前先期試驗(yàn)研究的11例患兒中有1例失訪,故在此次試驗(yàn)過程中新納入3例患兒,此3例患兒均為在我院眼科門診進(jìn)行規(guī)范弱視治療24mo時納入的中度屈光參差性弱視患者(患兒驗(yàn)光及配鏡均由我院眼科同一位驗(yàn)光師進(jìn)行),依弱視診斷新標(biāo)準(zhǔn)將13例患者分為兩組(4～7歲組、8～12歲組)。納入對象均為遠(yuǎn)視性弱視,中心凹注視;右利手;屈光參差在3.00～6.00D范圍內(nèi);檢查所有患兒眼位、前節(jié)、眼底未見異常,中心視野無缺損;無其他嚴(yán)重眼部器質(zhì)性病變及神經(jīng)系統(tǒng)疾患;磁共振檢查排除由視網(wǎng)膜至外膝體疾病,無全身其他疾病史。依據(jù)倫理委員會規(guī)定,患者監(jiān)護(hù)人均簽署了試驗(yàn)書面知情同意書。

納入標(biāo)準(zhǔn):按照兒童弱視診斷新標(biāo)準(zhǔn)[3],初診的未經(jīng)配鏡矯正的屈光參差性弱視,雙眼視力相差不足2行,近視力≥6.00D、遠(yuǎn)視力≥3.00D、散光≥2.00D,且矯正視力低于同年齡組視力參考值下限(3歲:0.5;4～5歲: 0.6;6～7歲:0.7;≥8歲:0.8)。弱視分度以最佳矯正視力劃分:輕度:0.5～0.8;中度:0.1～0.4;重度:＜0.1。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方法在我院眼科門診就診的初診患兒中,符合納入標(biāo)準(zhǔn)者,在試驗(yàn)前分別在小瞳下、10g/L鹽酸環(huán)噴托酯滴眼液散瞳、瞳孔回縮后進(jìn)行驗(yàn)光試鏡,以充分矯正屈光不正。運(yùn)用綜合療法(配鏡、傳統(tǒng)遮蓋、紅光照射、精細(xì)視覺訓(xùn)練等)規(guī)范化治療,并在治療24mo及終止治療后6mo進(jìn)行復(fù)查。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)視覺刺激呈現(xiàn)運(yùn)用腦功能視聽覺刺激系統(tǒng)。任務(wù)設(shè)計(jì)程序采用E-Prime 2.0軟件編寫。磁共振掃描啟動射頻脈沖觸發(fā)與刺激系統(tǒng)相連的同步系統(tǒng),刺激模式運(yùn)用對比度接近80%的隨機(jī)點(diǎn)立體圖像,此圖像來源于顏少明編著的第2版《數(shù)字化立體視覺檢查圖》?；純和ㄟ^配戴紅藍(lán)眼鏡以獲得立體視覺,紅色鏡片在右眼?？刂茽顟B(tài)為刺激屏中央固定的黑色+注視點(diǎn)。將圖像通過控制操作間的視覺刺激儀投射至位于磁共振儀器后的高質(zhì)乙烯屏幕上,以形成視覺刺激。在整個試驗(yàn)過程中,患者均在屈光不正矯正后平躺于MRI掃描儀內(nèi),以避免因屈光不正引起的雙眼傳入信息量不同導(dǎo)致誤差。頭部固定,雙眼同時注視正前方15cm處的反光鏡,接受距反光鏡55cm的投影屏幕上的視覺刺激。投射在屏上畫面面積為(0.4×0.4)m2,屏幕距被檢者共70cm。除顯示屏光線外,患兒所處環(huán)境無其他光源。囑咐被檢者盡量在試驗(yàn)過程中減少瞬目。運(yùn)用Blocks設(shè)計(jì),共掃描218s,組塊由激活和控制兩個狀態(tài)組成,每個狀態(tài)持續(xù)21s,兩組塊交替采集,共采集7次,且每個組塊重復(fù)5次。預(yù)先在控制狀態(tài)下掃描8s,不記錄數(shù)據(jù)以避免磁飽和效應(yīng)影響?？傆行呙钑r間210s,共36副功能圖像。

1.2.3 BOLD-fMRI的信號采集運(yùn)用SIEMENS MAGNETOM Verio 3T磁共振掃描系統(tǒng),16通道頭部線圈。試驗(yàn)過程中患者取仰臥位,頭部固定于正交線圈內(nèi)。首先行三軸位定位像,沿前后聯(lián)合下緣劃線,以確定功能成像掃描基線,BOLD-fMRI數(shù)據(jù)采集采用回波平面成像(Echoplannar Imaging,EPI)序列軸狀位掃描模式。全腦解剖像數(shù)據(jù)采集采用三維預(yù)磁化快速梯度回波(magnetization prepared rapid gradient echo,MPRAGE or 3D MPR)序列矢狀位薄層掃描模式,其掃描基線平行于前后聯(lián)合線(AC-PC線)且覆蓋整個枕葉。功能像掃描參數(shù):層厚3mm,間隔0.75mm,重復(fù)時間(TR)3000ms,回波時間(TE)30ms,觀察野FOV:192,矩陣Matrix 64×64,空間分辨率Voxel 3.0mm×3.0mm×3.0mm;解剖像掃描參數(shù):層厚:1mm,間隔:0.182mm,重復(fù)時間(TR)1900ms,回波時間(TE)2.52ms,觀察野FOV:250,矩陣Matrix 256× 256,空間分辨率Voxel 1.0mm×1.0mm×1.0mm。

1.2.4 耳保護(hù)為避免試驗(yàn)過程中噪音對兒童情緒、生理心理等方面造成不良影響,故配戴磁共振專用全覆式耳機(jī),以衰減噪音。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理及分析本研究屬自身前后對照研究。將試驗(yàn)采集的所有數(shù)據(jù)圖像導(dǎo)入一臺Windows 8的64位操作系統(tǒng)工作站,離線處理。數(shù)據(jù)處理運(yùn)用基于MATLAB7.12.0.635的SPM8軟件包,版本號r4290。首先將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(DICOM Import)、時間校正(slice Timing)、頭動校正(Realign)、配準(zhǔn)(Coregister)、圖像分割(Segment)、標(biāo)準(zhǔn)化(Normalise)、平滑(Smooth),而后進(jìn)行個體、組內(nèi)、組間分析。并將頭動水平超過1.5mm或旋轉(zhuǎn)超過1.5°的數(shù)據(jù)舍棄。配準(zhǔn)后的結(jié)構(gòu)像在功能像空間內(nèi)分割為白質(zhì)、灰質(zhì)和腦脊液三部分,此過程比照東亞人大腦模板進(jìn)行;高斯平滑的半高寬度(full-width at half maximum,FWHM)為6mm。運(yùn)用WFU-PickAtlas-3.0.3軟件包將SPM內(nèi)的MNI坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為Talairach標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)并進(jìn)行功能區(qū)定位。閾值設(shè)定:P＜0.01,未進(jìn)行多重矯正。多重矯正保證在多重比較校正檢驗(yàn)中出現(xiàn)假陽性結(jié)果的概率不大于某一值,目的是使激活區(qū)域更加精確,但由于弱視兒童存在腦皮質(zhì)功能弱化,若使用多重校正則沒有激活區(qū)域,故降低檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),以觀察弱視治療后激活區(qū)域變化。將被檢者治療18mo和24mo及終止治療后6mo時大腦皮層激活范圍差異做前后配對t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

在數(shù)據(jù)處理過程中,所有患者數(shù)據(jù)均符合納入標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)患者檢查過程中按鍵反饋反應(yīng)及監(jiān)控設(shè)備證明患兒在整個檢查過程中均處于清醒狀態(tài)。對各治療階段激活數(shù)據(jù)進(jìn)行前后對照t檢驗(yàn),各階段功能區(qū)激活主要集中在左枕葉(Brodmann 18區(qū))、枕中回(Brodmann 19區(qū))、邊緣葉(Brodmann 19區(qū))、雙側(cè)頂上小葉(Brodmann 7區(qū))、右枕葉舌回(Brodmann 17區(qū)),弱視治療24mo激活范圍無明顯擴(kuò)大,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(mean T=1.054,P＞0.01),終止治療6mo后激活范圍差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(mean T=1.9793,P＞0.01;圖1,表1、2)。由于本試驗(yàn)屬于延續(xù)性試驗(yàn),從整個試驗(yàn)過程中看,兒童屈光參差性弱視運(yùn)用綜合療法規(guī)范化治療后大腦皮質(zhì)激活區(qū)較治療前激活面積顯著擴(kuò)大(依據(jù)于本課題前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果)。

3 討論

弱視是一種以不能矯正的視敏度下降為特點(diǎn)的、沒有明顯眼部結(jié)構(gòu)及視路異常的疾病。立體視覺是辨別物體之間距離、深淺、凹凸等的能力,是雙眼視功能最高級的表現(xiàn)。雙眼與物體間距離不同及視角不同,故所看到的物體影像也會有差異,這種差異被傳入大腦后可感覺到立體景象。故雙眼的相互作用及是否能形成清晰物像對立體視覺的形成至關(guān)重要。在視覺發(fā)育敏感期內(nèi),若雙眼視覺輸入不相等,弱視眼所對應(yīng)的立體視覺相關(guān)大腦皮質(zhì)如背側(cè)通道等所受的刺激減小,最終導(dǎo)致相關(guān)部位體積的縮小,最終導(dǎo)致立體視功能缺乏[4]。

研究發(fā)現(xiàn)[5],屈光參差性弱視患病率明顯高于其他弱視病因,這是由于屈光參差可長時間持續(xù)作用于雙眼,并致弱視形成?；颊唠p側(cè)枕葉(BA17、18、19)及頂葉激活明顯,BA19區(qū)上側(cè)及枕葉舌回(BA17區(qū))均為背側(cè)視覺區(qū)域的組成成分,這個區(qū)域的主要功能是空間運(yùn)動和空間定位,又被稱為“where通道”或“how通道”。而枕外側(cè)部屬于腹側(cè)視覺區(qū)域,稱“what通道”,主要識別物體的表明特征[6]。這些區(qū)域均與立體視覺的激活有密切的聯(lián)系。頂葉為視覺性語言中樞所在區(qū)域,頂葉損傷可導(dǎo)致失認(rèn)、視覺變形、立體視消失等癥狀,故頂葉對于立體視建立意義重大。Georgieva等[7]發(fā)現(xiàn),頂葉、枕葉皮質(zhì)區(qū)、顳下回腦區(qū)、運(yùn)動前皮質(zhì)區(qū)均參與了復(fù)雜的立體視覺形成,這也支持了我們的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 弱視治療18mo和24mo及終止治療6mo后視皮層的功能激活差異 A:弱視治療24mo與18mo的t檢驗(yàn)激活圖, mean T=1.014,P＞0.01;B:為弱視治療終止6mo與治療終止時的t檢驗(yàn)激活圖,mean T=0.9793,P＞0.01。

表1 治療24mo與18mo主要激活腦區(qū)t檢驗(yàn)結(jié)果

表2 終止治療6mo與終止治療時主要激活腦區(qū)t檢驗(yàn)結(jié)果

在規(guī)范治療2a及終止治療6mo后,患者上述部位腦區(qū)激活無明顯擴(kuò)大,我們分析,原因有以下幾點(diǎn):(1)由于治療時間較長,患兒對于傳統(tǒng)訓(xùn)練方式已經(jīng)乏味,不能很好堅(jiān)持;(2)由于患兒視皮質(zhì)損害嚴(yán)重,重建困難;(3)由于試驗(yàn)中所選患兒均為4歲以上,已錯過視中樞恢復(fù)的關(guān)鍵期,視皮層可塑性損害,恢復(fù)困難。Horton等[8]運(yùn)用動物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),弱視眼所對應(yīng)的紋狀區(qū),眼優(yōu)勢柱較正常眼數(shù)目明顯減少。這就提示弱視患者視皮質(zhì)激活的減弱不僅是功能狀態(tài)的降低,而且是神經(jīng)元數(shù)目的絕對減少。且在弱視患兒長期低視力影響下,視中樞長期廢用也會使大腦皮質(zhì)出現(xiàn)功能甚至是結(jié)構(gòu)變化。謝晟等[9]發(fā)現(xiàn)弱視兒童視覺相關(guān)腦灰質(zhì)區(qū)與正常兒童相比發(fā)育異常,且相關(guān)視皮質(zhì)區(qū)域皮層厚度均小于正常。Ptito等[10]研究發(fā)現(xiàn),先天性失明患者的視皮質(zhì)體積大大減少,且這種體積減少主要是由于萎縮引起。由此可推出,長期廢用的大腦皮質(zhì)的主要變化趨勢以萎縮為主。而大腦細(xì)胞為永久細(xì)胞,是不可再生的。王天月[11]運(yùn)用靜息態(tài)fMRI研究屈光參差性兒童腦功能連接密度發(fā)現(xiàn),患兒腹側(cè)、背側(cè)通路、額葉、前運(yùn)動皮層、背側(cè)頂下小葉及額島的功能連接密度顯著減少。由此試驗(yàn)可知屈光參差性弱視患兒視中樞內(nèi)神經(jīng)元及連接各神經(jīng)元的纖維均受到不可逆性損害。不論是細(xì)胞數(shù)目的絕對減少、細(xì)胞的萎縮,還是神經(jīng)功能連接密度減少,都使得弱視患者的視皮質(zhì)功能恢復(fù)困難重重。

基于為期30mo的三期試驗(yàn)研究,我們發(fā)現(xiàn)患兒在規(guī)范治療24mo及終止治療6mo后,視中樞激活范圍保持穩(wěn)定,既無明顯擴(kuò)大也未縮小。在治療24mo后,視中樞的恢復(fù)終止,并在終止治療6mo后,視中樞激活也一直處在穩(wěn)定狀態(tài)。故可以認(rèn)為在4～12歲中度屈光參差性患兒在規(guī)范治療2a后視中樞恢復(fù)終止,繼續(xù)治療對于視中樞的恢復(fù)無明顯作用,可認(rèn)為24mo是此階段弱視患兒治療的終止點(diǎn)。

由于本研究是針對兒童屈光參差性弱視研究,對于正常兒童對照組收集困難,故本試驗(yàn)中并未設(shè)立正常對照組進(jìn)行研究。本試驗(yàn)為四維試驗(yàn)數(shù)據(jù),暫沒有正常兒童的研究數(shù)據(jù)可采用。本試驗(yàn)對象為兒童,試驗(yàn)中配合度較成人差,因無法配合試驗(yàn)剔除病例較多,故只研究了4～12歲的13例患者,且均為中度屈光參差性弱視,未能收集輕度及重度患者進(jìn)行比較、觀察。本研究結(jié)果中患兒fMRI圖中激活點(diǎn)較小,故未進(jìn)行多重校正。本研究采用隨機(jī)點(diǎn)立體視覺檢查圖,只進(jìn)行了近立體視刺激,未行遠(yuǎn)立體視刺激。希望今后能繼續(xù)豐富病例,擴(kuò)展此研究,彌補(bǔ)本次研究的不足。后續(xù)對于患兒靜息態(tài)fMRI試驗(yàn)仍在繼續(xù),通過此試驗(yàn)以研究較小年齡患兒治療后視中樞恢復(fù)是否一致。

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Forwards research about the visual cortical functional binocular stereo vision in children anisometropic amblyopia: evidence from fMRI

Yang Li1,2,Zhen-Guo Yan2,Hong Cao2,Lei Yang2,Qiang-Hua M a3

1Lanzhou University Second Hospital,Lanzhou 730000,Gansu Province,China;2Ophthalmic Center;3Department of MR Imaging, General Hospital of Lanzhou Military Command,Lanzhou 730050, Gansu Province,China

Zhen-Guo Yan.Ophthalmic Center,General Hospital of Lanzhou Military Command,Lanzhou 730050,Gansu Province,China.yanzhenguozy@163.com

·AIM:To periodically evaluate the anisometropia amblyopic children's activation of the visual cortex function after training normatively by blood oxygen level dependent-functional magnetic resonance imaging (BOLD-fMRI).·METHODS:Thirteen children with anisometropia amblyopic from advanced research and subsequent research were collected.Self-controlled study before and after treatment and b locks-designed fMRI was perform ed.fMRI data were processed by using SPM 8 which based on the Matlab 7.12.0.635.T test was used to com pare and analyze the difference of the b rain activation data before and 18,24m o after amblyopia treatment and 6m o after stopped treatment.·RESULTS:The activation ranges in a ll these periods are Brodmann 7,17,18,and 19;After normalized treatment 24m o(m ean T=1.014;P＞0.01).and after stopped treatment 6m o(mean T=0.9793,P＞0.01).The increasing of the activation ranges in visual cortex was unconspicuous.·CONCLUSION:Visual cortex is basically stable after 2a of anisom etropic amblyopia treatment,and continuous treatment for amblyopia has no significant effect on visual cortex function reconstruction.

children;anisometropia;amblyopia; function magnetic resonance imaging;stereopsis

李陽,在讀碩士研究生,研究方向:斜弱視。

燕振國,教授,主任醫(yī)師,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向:斜弱視.yanzhenguozy@163.com

2015-06-09

2015-10-19

:Li Y,Yan ZG,Cao H,et al.Forwards research about the visual cortical functional binocular stereo vision in children anisometropic amblyopia:evidence from fMRI.Guoji Yanke Zazhi (Int Eye Sci)2015;15(11):1980-1983

10.3980/j.issn.1672-5123.2015.11.39

Received:2015-06-09 Accepted:2015-10-19

方法:收集先期研究及后續(xù)收集屈光參差性弱視兒童共13例進(jìn)行任務(wù)態(tài)組塊模式(Blocks)的功能磁共振(fMRI)研究,采用前后對照t檢驗(yàn)對規(guī)范弱視治療18mo和24mo及終止治療6mo后的腦功能激活數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖像處理平臺為Matlab 7.12.0.635的SPM8軟件。

結(jié)果:各階段功能區(qū)激活主要集中在左枕葉(Brodmann 18區(qū))、枕中回(Brodmann 19區(qū))、邊緣葉(Brodmann 19區(qū))、雙側(cè)頂上小葉(Brodmann 7區(qū))、右枕葉舌回(Brodmann 17區(qū)),弱視治療24mo激活范圍無明顯擴(kuò)大,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(mean T=1.014,P＞0.01),終止治療6mo后激活范圍差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(mean T=0.9793, P＞0.01)。

結(jié)論:屈光參差性弱視治療2a后視中樞基本穩(wěn)定,持續(xù)弱視治療對于視中樞功能重建無顯著作用。