靜息態(tài)fMRI觀察脊髓型頸椎病患者初級軀體感覺皮層功能連接

章晨蕾，譚永明，何來昌，鐘 軍，郭建強，周福慶

(南昌大學第一附屬醫(yī)院影像科，江西 南昌 330006)

脊髓型頸椎病(cervical spondylotic myelopathy，CSM)是頸椎病各分型中最嚴重者，可導致上下肢運動和感覺功能異常。CSM主要損傷機制包括直接慢性壓迫導致脊髓前角和中間運動神經(jīng)元退變、側(cè)索和后索軸突脫髓鞘，大血管如椎體前方動脈受壓導致脊髓供血不足或循環(huán)淤滯，以及起保護和修復作用的少突膠質(zhì)細胞損傷等[1]。基于BOLD的fMRI通過檢測大腦功能區(qū)活動時血流變化而獲得腦功能改變的客觀信息。神經(jīng)影像學研究[2-3]表明，CSM患者存在腦皮質(zhì)結構和功能重構。本課題組前期研究[4]發(fā)現(xiàn)脊髓病變可影響內(nèi)源性腦活動，大腦皮質(zhì)重塑參與CSM術后功能恢復，但對于初級軀體感覺皮層(primary somatosensory cortex， S1)的靜息態(tài)功能連接改變尚需深入研究。鑒于不同體表部位在S1均有相應投射區(qū)域，本研究將S1分為胸部、背部、手指、上肢、下肢和頭面部6個感覺亞區(qū)，采用基于種子點的功能連接技術觀察CSM患者S1腦功能連接變化，旨在為CSM臨床診斷、治療和預測感覺功能的恢復提供客觀影像學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2015年12月—2017年8月我院經(jīng)臨床及影像學確診的33例CSM患者(CSM組)，男14例，女19例，年齡30～59歲，平均(48.2±7.1)歲，平均病程(23.55±3.00)個月。排除標準：①腦腫瘤、腦出血、腦梗死、嚴重缺血脫髓鞘病變等中樞神經(jīng)系統(tǒng)器質(zhì)性疾??；②頸椎手術史；③年齡>60歲；④不能配合fMRI。選取同期年齡、性別、受教育程度相匹配的23名健康志愿者為對照組，男10名，女13名，年齡30～59歲，平均(46.8±7.7)歲，均無脊髓壓迫癥狀和影像學表現(xiàn)，無神經(jīng)系統(tǒng)疾病史，且神經(jīng)系統(tǒng)檢查正常。

所有受試者均為右利手，并接受日本骨科協(xié)會(Japanese Orthopaedic Association， JOA)評估治療評分和頸椎功能障礙指數(shù)評分(neck disability index scores， NDI)測試。本研究經(jīng)南昌大學第一附屬醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Trio Tim 3.0T MR系統(tǒng)，8通道頭顱線圈。首先行常規(guī)MR掃描以排除腦部器質(zhì)性病變。靜息態(tài)BOLD fMRI掃描時，囑受試者閉目、保持清醒，采用梯度回波-回波平面成像序列，TR 2 000 ms，TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm，矩陣64×64，連續(xù)掃描30層，層厚4 mm，層距1.2 mm，掃描時間8 min 6 s。T1W結構像掃描采用3D梯度回波序列，矢狀位掃描，TR 1 900 ms，TE 2.26 ms，翻轉(zhuǎn)角9°，層厚1 mm，層間距1 mm，矩陣256×256，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，體素大小1 mm×1 mm×1 mm，共176層。

1.3 數(shù)據(jù)處理 采用基于Matlab 7.0平臺的SPM8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)軟件，首先以靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)處理助手(DPARSFA)V2.3工具對T1W結構像數(shù)據(jù)進行預處理。將每側(cè)S1分為下肢、背部、胸部、上肢、手指及頭面部6個感覺亞區(qū)[5]，分別以雙側(cè)12個感覺亞區(qū)的蒙特利爾神經(jīng)病學研究所(montreal neurological institute， MNI)坐標為中心，勾畫12個半徑為4 mm的球形ROI作為種子區(qū)(圖1)，提取種子區(qū)BOLD信號的時間序列，與全腦其他腦區(qū)作基于體素的時間序列Pearson相關性分析，得到功能連接系數(shù)并構建功能連接圖，對得到的相關系數(shù)值行Fisher-z轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成z分數(shù)，使其符合正態(tài)分布。采用DPARSFA軟件包，在構建的功能連接圖內(nèi)以雙樣本t檢驗比較CSM組與對照組間的差異，經(jīng)FDR校正，P<0.05、簇體素≥10為差異有統(tǒng)計學意義。

圖1 S1分區(qū)示意圖 根據(jù)感覺纖維投射特點，將中央后回按體表不同部位分為6個感覺亞區(qū)

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料以±s表示，CSM組與對照組間年齡比較采用兩獨立樣本t檢驗。2組間性別比較采用χ2檢驗。以Pearson或Spearman相關分析差異腦區(qū)的功能連接值與JOA評分(包括上肢、下肢運動功能和上肢、下肢、軀干感覺功能)、NDI之間的相關性。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

CSM組與對照組間性別(χ2=0.077，P=0.938)、年齡(t=0.795，P=0.430)差異均無統(tǒng)計學意義。CSM組JOA評分平均為(12.24±2.08)分，NDI為27.64%±15.35%。

CSM組中，2例為頸髓單節(jié)段受壓，31例多節(jié)段受壓，其中C2～C3節(jié)段受壓3例，C3～C4節(jié)段受壓25例，C4～C5節(jié)段受壓30例，C5～C6節(jié)段受壓30例，C6～C7節(jié)段受壓22例；C3～C4節(jié)段脊髓變性4例，C4～C5節(jié)段脊髓變性4例，C5～C6節(jié)段脊髓變性14例，C6～C7節(jié)段脊髓變性1例。

與對照組比較，CSM組患者S1左側(cè)上肢感覺亞區(qū)與左側(cè)角回、左側(cè)顳下回、右側(cè)顳中回功能連接減低；左側(cè)下肢感覺亞區(qū)與左側(cè)角回功能連接減低；右側(cè)胸部感覺亞區(qū)與左側(cè)角回、左側(cè)額上回、左側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、左側(cè)額中回、左側(cè)顳中回/顳下回、右側(cè)角回、右側(cè)額上回、右側(cè)小腦后葉功能連接減低；右側(cè)下肢感覺亞區(qū)與左側(cè)角回功能連接減低(P均<0.05，F(xiàn)DR校正，表1，圖2～5)。其他感覺亞區(qū)與全腦皮質(zhì)的功能連接差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05，F(xiàn)DR校正)。

表1 CSM患者與對照組之間S1感覺亞區(qū)功能連接異常的腦區(qū)

注：P均<0.05，F(xiàn)DR校正

CSM患者S1左側(cè)上肢感覺亞區(qū)與左側(cè)角回的功能連接值與NDI呈負相關(r=-0.377，P=0.031)，與左側(cè)顳下回的功能連接值與上肢感覺JOA評分呈正相關(r=0.353，P=0.044)。S1右側(cè)下肢感覺亞區(qū)與左側(cè)角回的功能連接值與下肢感覺JOA評分呈正相關(r=0.406，P=0.019)。其他差異腦區(qū)的功能連接值與JOA評分、NDI均無明顯相關(P均>0.05)。

3 討論

目前多采用靜息態(tài)和/或任務態(tài)fMRI觀察感覺運動網(wǎng)絡(sensory motor network， SMN)網(wǎng)絡激活情況[6-7]。SMN主要包括初級感覺運動區(qū)(sensorimotor area of cortex， SMC)、前運動區(qū)(premotor cortex， PMC)、頂葉皮層(parietal cortex， PC)、輔助運動區(qū)(supplementary motor area， SMA)、前額葉皮層(prefrontal cortex， PFC)、島葉和小腦。相比對照組，本組CSM患者大腦存在感覺、運動相關腦區(qū)功能重組，包括S1雙側(cè)下肢感覺亞區(qū)與頂葉區(qū)(左側(cè)角回)功能連接減低，S1左側(cè)上肢感覺亞區(qū)與頂葉區(qū)(左側(cè)角回、右側(cè)顳中回)、左側(cè)顳下回功能連接減低，S1右側(cè)胸部感覺亞區(qū)與SMA(左側(cè)內(nèi)側(cè)額上回)、頂葉區(qū)(雙側(cè)角回)、PFC(雙側(cè)額上回、左側(cè)額中回)、右側(cè)小腦后葉及左側(cè)顳中回/顳下回連接減低。

人腦前額葉、中央?yún)^(qū)、頂葉、顳葉和皮質(zhì)下等多個區(qū)域涉及運動執(zhí)行、各種下行運動命令和上行感覺輸入的處理和傳遞[8]。角回位于頂下小葉后部，后頂葉皮層是重要的聯(lián)合皮層區(qū)域，既可調(diào)控感覺和運動，也可起認知功能作用。本研究結果顯示S1多個感覺亞區(qū)與角回、顳中回功能連接減低，這可能與CSM患者感覺障礙有關，本體感覺和觸覺傳入減少導致后頂葉皮層與S1連接功能減低，這一理論已在脊髓損傷的研究中得到證實[8]。另外，角回作為“語言的視覺記憶中心”，與認知功能相關，研究[9]發(fā)現(xiàn)CSM患者存在認知功能障礙，可能也是S1多個感覺亞區(qū)與左側(cè)角回功能連接減低的原因之一。同時，本研究發(fā)現(xiàn)CSM患者S1右側(cè)下肢感覺亞區(qū)與左側(cè)角回功能連接值與下肢感覺JOA評分呈正相關、S1左側(cè)上肢感覺亞區(qū)與左側(cè)角回功能連接值與NDI呈負相關，提示CSM患者脊髓受壓越嚴重，纖維束損傷越明顯，所致腦部功能受損越嚴重。顳葉皮層也屬于聯(lián)合皮層區(qū)，接受多通道的感覺信息。其中顳中回后部與頂葉同屬于SMA的頂部整合區(qū)，但顳下回不屬于SMN。本研究CSM組顳中回與S1右側(cè)胸部感覺亞區(qū)的功能連接減低，并累及顳下回，推測可能是鄰近皮層功能代償?shù)慕Y果；而S1左側(cè)上肢感覺亞區(qū)與左側(cè)顳下回功能連接減低，可能與CSM患者脊髓受壓，導致初級感覺皮層灰質(zhì)萎縮，腦區(qū)間纖維束連接紊亂，最終導致相關腦區(qū)功能連接減低有關。本研究還發(fā)現(xiàn)CSM患者S1左側(cè)上肢感覺亞區(qū)與左側(cè)顳下回的功能連接值與上肢感覺JOA評分呈正相關，提示隨著JOA評分減低，患者上肢感覺功能障礙癥狀加重，上行纖維損傷、減少，導致功能連接減低。

本研究中還發(fā)現(xiàn)CSM患者S1右側(cè)胸部感覺亞區(qū)與多個SMN相關腦區(qū)功能連接減低。內(nèi)側(cè)額上回位于SMA，其部分神經(jīng)元軸突投射至脊髓，參與運動準備及運動執(zhí)行[10-11]。CSM患者S1右側(cè)胸部感覺亞區(qū)與左側(cè)內(nèi)側(cè)額上回功能連接減低，可能是由于CSM患者軀體感覺輸入信息減少，脊髓丘腦束等傳入纖維損傷，破壞了完整的感覺、運動相關神經(jīng)反射等控制系統(tǒng)。PFC與記憶、語言、認知和隨意運動等有關，是人體主要的感覺運動中樞。額上回對空間工作記憶的存儲極為重要，額中回與運動功能相關。除上述功能外，PFC作為腦的最高級中樞，還與感覺功能密切相關[12]。本研究中CSM患者S1右側(cè)胸部感覺亞區(qū)與PFC(雙側(cè)額上回、左側(cè)額中回)功能連接減低，可能與CSM患者感覺障礙有關；而S1右側(cè)胸部感覺亞區(qū)與右小腦后葉功能連接降低，考慮可能與CSM患者的小腦萎縮致小腦的功能減弱所致，而小腦后葉的萎縮可能與CSM患者運動功能障礙相關。

總之，本研究結果表明CSM患者存在感覺運動相關的腦功能重組。但本研究結果中功能連接異常腦區(qū)存在偏側(cè)化現(xiàn)象，筆者推測可能是控制感覺或運動的皮層存在優(yōu)勢半球現(xiàn)象，也有研究[13]認為當某些病變或損傷位于非優(yōu)勢半球時，則可能產(chǎn)生對側(cè)忽視，另一可能是本研究納入的CSM患者脊髓損傷存在如旁正中型椎間盤突出等可致偏側(cè)化損傷的原因。