功能磁共振研究卒中后肢體運動功能重塑機制

李代順 綜述，余 茜 審校

(1.瀘州醫(yī)學院，四川 瀘州 646000；2.四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院康復科，四川 成都 610072)

功能磁共振研究卒中后肢體運動功能重塑機制

李代順1綜述，余 茜2審校

(1.瀘州醫(yī)學院，四川 瀘州 646000；2.四川省醫(yī)學科學院·四川省人民醫(yī)院康復科，四川 成都 610072)

腦卒中造成病灶對側肢體運動功能障礙的恢復與腦可塑性和功能重組有關。在運動功能恢復過程中，大腦皮質有廣泛區(qū)域參與神經(jīng)重塑過程。血氧水平依賴功能磁共振成像對于腦卒中后運動功能恢復與腦功能重組之間關系的研究提供了有效平臺。

腦功能重塑；功能磁共振；腦卒中；運動功能；神經(jīng)康復

目前對卒中急性期的管理不斷改善，卒中單元對該病進行跨學科綜合治療[1]，但是卒中仍然是世界范圍內(nèi)殘疾的主要原因[2]。卒中導致大量神經(jīng)功能受損，其中最常見的就是病灶對側肢體運動功能障礙，尤其是手部運動功能障礙，重度致殘者約占10%以上[3]。研究表明卒中后運動功能恢復與神經(jīng)重塑有關，通過早期、系統(tǒng)以及有效的康復治療，可以改善患者日常生活自理水平。進一步明確大腦重塑機制對于選擇有效的康復治療方法有重要作用。評估神經(jīng)重塑比較有效的技術為血氧水平依賴功能磁共振成像(blood oxygen level depended-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)，即通常所指的fMRI。

1 血氧水平依賴fMRI

BOLD-fMRI成像機制是：在刺激作用下，隨著神經(jīng)活動的增加，局部腦血流量也在增加，但是運輸?shù)皆摻M織的大量氧氣只有小部分被組織利用。因此，局部組織血管床的氧合血紅蛋白增加，而具有順磁性的脫氧血紅蛋白減少。血紅蛋白的磁性取決于其氧合程度，因此局部腦組織氧合血紅蛋白濃度相對于去氧血紅蛋白較多的情況下，T2*加權信號增加，使得腦功能活動區(qū)表現(xiàn)為高信號[4]。對有腦血管疾病患者使用fMRI研究神經(jīng)活動需要考慮到患者受損的腦血管仍有狹窄或狹窄程度在加重，這會導致BOLD信號減弱甚至出現(xiàn)陰性[5]，這是研究卒中患者假陰性結果出現(xiàn)的主要問題[6]。BOLD-fMRI具有非侵入性、安全性好、良好的時空分辨率和以自身血液中脫氧血紅蛋白濃度變化作為對比劑顯像的特點，是研究大腦功能重塑機制的重要工具。

2 BOLD-fMRI用于卒中后運動功能重組研究

卒中后殘損的大腦具有可塑性，能在結構和功能上修改自身以適應改變了的環(huán)境，是一個動態(tài)改變的過程[7]。BOLD-fMRI可對可塑性變化的表現(xiàn)形式，即卒中后腦運動功能區(qū)的存在、范圍以及代償、功能移位、重現(xiàn)的變化過程進行準確定位并在此基礎上定量測定，以直觀了解大腦的功能重組。

2.1 BOLD-fMRI評定運動功能重組的指標 BOLD-fMRI常用以下指標來評價運動功能重組：① MNI(montreal neurological institute)可用來計量有意義激活區(qū)域中激活體素集中的坐標位置轉變，反映功能移位。②使用后處理軟件功能性神經(jīng)成像分析(analysis of functional neuroimaging，AFNI)或統(tǒng)計參數(shù)圖(statistical parametric mapping，SPM)對激活區(qū)體積進行初步定量并相互比較。③偏側指數(shù)(laterality index，LI)是一個簡單的大腦間功能平衡指數(shù)。Cramer等首次[8]將LI作為功能影像學研究卒中恢復的定量測定方法，偏側指數(shù)的計算公式：LI=(C-I)/(C+I)，C代表患手對側腦區(qū)激活體積，I代表患手同側腦區(qū)激活體積，因此偏側指數(shù)值的范圍是(-1，+1)。

2.2 腦區(qū)激活 根據(jù)受損部位的不同可分為皮質區(qū)梗死和皮質下梗死，兩者初級感覺運動皮層(primary sensorimotor cortex，SM1)激活坐標位置都向后移，兩者有一定區(qū)別，皮質區(qū)梗死還表現(xiàn)為病灶周圍激活及次級運動區(qū)(secondary motor areas，M2)區(qū)激活，而皮質下梗死少數(shù)患者M2區(qū)激活斷續(xù)出現(xiàn)[9]。偏癱的發(fā)生是由于皮質脊髓束傳遞到運動神經(jīng)元的信號受損[10]，皮質脊髓束主要來自對側M1區(qū)，因此M1區(qū)或與M1區(qū)連接的神經(jīng)纖維受損嚴重，則投射到對側上肢的運動纖維傳遞信號大量減少，出現(xiàn)雙側大腦半球廣泛腦區(qū)激活。少部分皮質脊髓束來自運動前區(qū)(the premotor area，PM)、輔助運動區(qū)(the supplementary motor area，SMA)、扣帶回運動區(qū)(cingulate motor areas，CMA)，這些腦區(qū)合稱為M2區(qū)[11]，健側半球M1區(qū)可以看作運動系統(tǒng)的另一種M2區(qū)。部分非運動區(qū)與運動功能恢復有關，但是沒有直接投射纖維到肢體，包括額前皮質(prefrontal cortex，PF)、頂葉皮層(parietal cortex，PT)和CMA區(qū)、島葉等腦區(qū)。卒中后除了這些腦區(qū)會出現(xiàn)激活外，還有軀體感覺運動區(qū)，小腦半球等也被激活。

2.2.1 病灶側M1區(qū)部分受損 M1區(qū)投射到對側肢體的運動神經(jīng)元占主要部分，M1區(qū)部分受損時，大腦將試圖使用殘損組織完成功能重組以促進運動功能最大程度恢復。受損M1區(qū)周圍激活位置變化和功能恢復密切相關。Dong[12]等對4個M1區(qū)部分受損的卒中患者研究表明，運動障礙嚴重的2個患者在行強制性運動療法(constraint-induced movement therapy，CIMT)治療前，受損M1區(qū)周圍激活坐標位置向背側轉變，這表明受損的M1區(qū)周圍新增手指運動代表區(qū)出現(xiàn)；在經(jīng)短時間CIMT治療后功能改善不是很明顯，但是在經(jīng)過6個月和12個月的治療后，未受損M1區(qū)中心激活區(qū)不斷接近正常人激活模式并且激活區(qū)體積減少，這兩個患者的運動功能得到了顯著提高，因此得出這樣一種觀點，患側半球M1區(qū)激活的減少可以解釋為突觸效率的提高，尤其在恢復早期運動區(qū)的激活比正常人的激活明顯的患者[13]。這表明M1區(qū)有多個手運動代表區(qū)分散在不同位置，損傷這些代表區(qū)的其中一個會引起另一些代表區(qū)替換受損區(qū)的功能。

2.2.2 健側半球M1區(qū)激活 解剖研究表明，健側半球M1區(qū)投射到軀干和肢體近心端的纖維支配控制穩(wěn)定平衡的肌肉，而不是遠心端的手部肌肉。雖然健側半球M1區(qū)投射到患肢遠端肌肉的神經(jīng)纖維很少，但是健側半球M1區(qū)在運動功能恢復過程中具有一定作用。Calautti 等[14]研究結果顯示，肢體運動情況越差，則初級感覺皮層(primary sensory cortex，S1)、M1區(qū)LI值越低，即運動情況差的患者腦區(qū)激活主要在健側半球的S1、M1區(qū)，而運動行為障礙程度和SMA、PM的LI值無相關性，因此認為運動功能恢復程度取決于S1區(qū)、M1區(qū)的LI值。Rehme等[15]對11個卒中后早期受損嚴重患者使用fMRI研究表明，健側半球M1區(qū)激活逐漸增加與嚴重受損患者功能恢復出現(xiàn)相關。但是健側半球M1區(qū)激活的作用目前存在爭議，研究表明，皮層下?lián)p傷較輕的卒中患者試圖自主使用患手活動時，健側半球M1區(qū)可能通過異常的高度腦間抑制作用于患側M1區(qū)，阻礙運動功能的恢復[16]。

健側半球M1區(qū)激活的解釋有兩種，其一認為運動功能恢復差的患者需要更多努力完成任務，因此需要更多與運動相關腦區(qū)參與[17]；另一種解釋是單側皮質區(qū)梗死范圍較大，致兩半球間傳遞相互抑制信息的胼胝體中斷[18]，因此損傷側半球不能傳遞抑制信息到健側半球M1區(qū)。

2.2.3 M2區(qū)激活 Ward等[19]研究表明，在皮質脊髓束嚴重受損后，雙側半球M2區(qū)大量增加參與執(zhí)行運動任務，對于皮質脊髓束受損較大的患者，健側半球M1區(qū)參與激活較少，即皮質脊髓束受損越大，則運動系統(tǒng)激活形式將從正常的M1區(qū)轉向M2區(qū)。由于手活動代表區(qū)在大腦的M1區(qū)，PM區(qū)和SMA區(qū)投射到脊髓核神經(jīng)元的纖維是單獨分開投射的，因此可以得出M1區(qū)受損后M2區(qū)的代償模型：由于執(zhí)行運動任務過程需要大量的運動網(wǎng)絡共同參與產(chǎn)生輸出信號到脊髓核，運動網(wǎng)絡的M1區(qū)受損害可能由M2區(qū)在一定程度上部分代償受損功能[20]。M2區(qū)的功能重啟并不能完全替代M1區(qū)的功能，但是這些新增激活區(qū)域可能代表了任何功能恢復的出現(xiàn)，如Lotze等[21]對14個皮質下卒中慢性期患者研究表明皮質脊髓束受損越嚴重，健側半球M2區(qū)的激活增加可能有利于運動功能重組。

2.2.4 其他非運動區(qū)的激活 卒中后早期可出現(xiàn)PF、PT、CMA等非運動腦區(qū)激活，參與認知補償策略，隨著運動功能恢復，在中晚期就不再依賴這種策略。Ward[22]等對卒中早期和晚期的患者腦區(qū)激活進行比較發(fā)現(xiàn)，卒中后早期需要更多與注意力有關腦區(qū)參與，而在卒中后晚期這些腦區(qū)激活不明顯。因此他提出首次卒中后具有較大運動障礙的患者，在早期需要更多與注意力有關腦區(qū)參加，而在晚期更多的是需要提高任務的難度才有利于運動行為改善。其他研究也有類似結果[23]。非運動區(qū)的激活可能與患者完成運動任務需要更多的努力，從而引起更多腦區(qū)參與有關。

3 BOLD-fMRI研究運動功能重組存在的問題與展望

BOLD-fMRI用于研究卒中后運動功能重組存在一些不足之處。首先，由于個體大腦皮層的溝、回等變異較大，這對研究結果的解釋會有差異；其次，在研究對象方面，許多文獻研究的是腦卒中后運動功能恢復較好的患者，但對于功能恢復較差的患者報道較少，這不利于我們獲得更多大腦激活區(qū)域的信息；再次，在入選標準方面要求嚴格，大大縮小了患者樣本量，因此在將研究結果一般化時應當謹慎；還有，影響B(tài)OLD-fMRI激活圖像結果的因素有很多，由于BOLD效應對于運動任務刺激敏感，任務難度不一或者刺激任務不同會造成成像結果的差異；運動偽影、靜脈效應以及干預血管的藥物因素也會引起結果解釋的困難。

雖然存在以上不足，但是BOLD-fMRI技術也有改進，如Bendlin等[24]使用咖啡因藥物來增強BOLD信號強度以及敏感性。BOLD-fMRI對于患者運動功能區(qū)以及相關非運動功能區(qū)參與運動過程激活做一定描述，但對于患者而言關鍵是有效的康復治療。相信隨著BOLD-fMRI相關技術的不斷改進，該技術在運動功能重組機制中的研究將會越來越重要，并找到更加有效的康復治療方法改善患者運動功能。

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Functional MRI study of the mechanism of limbs motor recovery after stroke

LI Dai-shun，YU Qian

R445.2；R496

B

1672-6170(2015)01-0173-03

2014-10-14；

2014-11-18)