張豪杰,王云雷,樊令仲,李芳,劉靜婭,于少泓,侯園園,白晨,李冰潔,杜曉霞,張通
1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院,北京市 100068;2.中國康復(fù)科學(xué)所,北京市 100068;3.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院,北京市 100068;4.中國科學(xué)院自動化研究所模式識別國家重點實驗室和腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心,北京市 100190;5.中國科學(xué)院大學(xué),北京市 100190;6.山東中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院,山東濟(jì)南市 250001;7.山東中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院,山東濟(jì)南市 250001
運(yùn)動功能障礙是腦卒中最常見的癥狀[1],康復(fù)可以改善運(yùn)動功能[2-4],這與腦可塑性機(jī)制有關(guān)[5-9],癥狀的改善主要發(fā)生在腦卒中后的前10 周[10-12],提示腦可塑性變化在這段時間可能最明顯,因此充分了解此階段腦可塑性變化情況是準(zhǔn)確對患者進(jìn)行分層及采取個體化治療方案的必要條件。目前已觀察到皮質(zhì)下腦卒中患者康復(fù)過程中常伴有病灶同側(cè)半球(ipsilesional hemisphere,IH)和對側(cè)半球(contralesional hemisphere,CH)皮質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變[13-15],但尚不清楚IH和CH的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性動態(tài)變化情況及兩者之間是否存在差異。
磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作為無創(chuàng)的神經(jīng)影像技術(shù),可很好地用于研究腦結(jié)構(gòu)可塑性機(jī)制,篩選出的結(jié)構(gòu)生物標(biāo)志物可對患者進(jìn)行分層及預(yù)測預(yù)后[16-24]。結(jié)構(gòu)可塑性既包括樹突長度增加、神經(jīng)元數(shù)量及新陳代謝改變等微觀層面變化,也包括腦區(qū)體積、皮層厚度和面積等宏觀層面變化[25-28]。皮質(zhì)下卒中在人類更為常見[29],目前已有一些用MRI觀察皮質(zhì)下卒中患者腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性變化與康復(fù)效果關(guān)系的研究[13,15,30],觀察到雙側(cè)半球的皮質(zhì)厚度或體積變化與康復(fù)效果存在一定相關(guān)性,但這些研究多為橫斷面研究及采用單一的評價指標(biāo)[13,15,31],不能全面及動態(tài)地觀察到康復(fù)過程中腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性的變化特征,采用縱向設(shè)計、多種指標(biāo)共同分析腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同方面,可以更全面反映腦可塑性變化機(jī)制[32],并更有利于篩選出與康復(fù)效果有關(guān)的生物標(biāo)志物。
本研究采用縱向設(shè)計、多變量指標(biāo)觀察腦卒中患者在發(fā)病后前3 個月康復(fù)過程中腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的動態(tài)變化,為減少異質(zhì)性,我們只納入首次發(fā)病的大腦中動脈區(qū)域單病灶的皮質(zhì)下缺血性卒中患者。為全面觀察皮質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化,采用皮質(zhì)表面積、厚度和體積3 個指標(biāo)共同評價皮質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性,并提出主要研究假設(shè):因為單側(cè)皮質(zhì)下病灶可以影響雙側(cè)大腦半球的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)[13,15,31,33],假設(shè)病灶同側(cè)腦區(qū)與病灶對側(cè)腦區(qū)隨時間可出現(xiàn)動態(tài)結(jié)構(gòu)性變化,且兩者之間可能存在差異;有統(tǒng)計學(xué)差異腦區(qū)的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)變化與運(yùn)動功能改善可能存在相關(guān)性。
2018 年11 月20 日 至2020 年2 月1 日,選取 在 北京博愛醫(yī)院住院的40例腦卒中患者,診斷均符合世界衛(wèi)生組織缺血性腦卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)[34]。
納入標(biāo)準(zhǔn):①年齡18~80 歲;②首次發(fā)病,運(yùn)動障礙為主;③發(fā)病8~30 d,④大腦中動脈流域的單發(fā)皮質(zhì)下梗死;⑤無腦外傷、中樞或周圍神經(jīng)系統(tǒng)疾?。虎逕o主要器官衰竭、嚴(yán)重感染、惡性腫瘤、肝腎疾病等。
排除標(biāo)準(zhǔn):存在幽閉恐懼癥或MRI 檢查禁忌癥(如患者體內(nèi)有鐵質(zhì)金屬,或心臟起搏器等);②抑郁癥或焦慮癥(如漢密爾頓抑郁量表>17 分);③嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙(如蒙特利爾認(rèn)知評估量表<22 分[35]);④其他疾病影響腦卒中患側(cè)肢體功能(包括但不限于嚴(yán)重關(guān)節(jié)炎、掌筋膜攣縮癥、2個以上部位截肢等)。
本研究經(jīng)中國康復(fù)研究中心醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)(No.2018-008-1)?;颊咴诩尤胝n題前了解研究過程及潛在風(fēng)險,并自愿簽署知情同意書。
入組患者分別于康復(fù)開始前(T1)、康復(fù)1 個月(T2)和康復(fù)2 個月(T3)行3 次磁共振掃描。第1 次完成掃描40 例,排除并發(fā)其他部位梗死3 例、不愿配合自行退組4 例、其他原因退出2 例(肺炎、急性冠脈綜合征);第2 次完成掃描31 例,排除出院未繼續(xù)治療4例,不愿配合檢查3例及出現(xiàn)其他并發(fā)癥2例;第3次完成掃描22 例,且數(shù)據(jù)可用,最終對完成3 次掃描的22例患者進(jìn)行分析。
臨床量表評分包括美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表(National Institutes of Health Stroke Scale,NIHSS)、改良Rankin 量表(modified Rankin Scale,mRS)、簡易精神狀態(tài)檢查、蒙特利爾認(rèn)知評估量表、漢密爾頓抑郁量表和Fugl-Meyer 評定量表(Fugl-Meyer Assessment,FMA)[36]。由康復(fù)醫(yī)師獨立評定,評定日期與MRI 掃描日期相同。所有入組患者均在北京博愛醫(yī)院接受同等量的標(biāo)準(zhǔn)康復(fù)治療,包括物理治療和作業(yè)治療,每天≥3 h,每周5 d。
所有圖像在3.0 T TX 磁共振掃描儀(荷蘭Royal Philips Electronics 公司)上獲取。為保證掃描質(zhì)量,每個參與者的頭部都由泡沫墊緊密固定并佩戴耳機(jī),以減少頭部移動和掃描儀噪音。8 通道磁頭陣列線圈用于回波平面成像獲得高分辨率結(jié)構(gòu)圖像。圖像的軸位與覆蓋整個大腦的前后連合線平行。T1_3D 加權(quán)快速自旋回波序列:重復(fù)時間7.6 ms,回波時間3.7 ms,翻轉(zhuǎn)角8°,視野256×256 mm,體素1×1×2 mm3,采集矩陣256×256,180 層矢狀位切片,層厚2 mm,掃描時間254 s。
使用Freesurfer 穩(wěn)定版本v6.0.0 (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/)進(jìn)行皮質(zhì)表面的重建及體積分割。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程主要包括運(yùn)動校正及平均、使用混合分水嶺/表面變形程序顱骨剝離、皮質(zhì)下白質(zhì)分割、強(qiáng)度歸一化、灰質(zhì)和白質(zhì)邊界鑲嵌、自動拓?fù)湫U蛷?qiáng)度梯度后表面變形。最后,基于連續(xù)性信息創(chuàng)建皮質(zhì)表面3D模型。
分析之前目測檢查每個受試者的皮層重建是否準(zhǔn)確,如果發(fā)現(xiàn)不準(zhǔn)確之處,手動編輯頂點或控制點使拓?fù)錅?zhǔn)確,然后重復(fù)這一過程。Freesurfer在受試者皮質(zhì)外表面及灰質(zhì)/白質(zhì)交界處(皮質(zhì)內(nèi)表面)建立多邊形網(wǎng)格模型。皮質(zhì)表面積計算是把皮質(zhì)外表面自動切割細(xì)分為不同的具有空間定位的三角面,假設(shè)一個三角面為ABC:
a=[xA yA zA]'
b=[xB yB zB]'
c=[xC yC zC]'
u=a-c,v=b-c
這個三角面ABC的面積為:
|u×v|/2
×表示叉積,| |表示向量范數(shù),不同三角面的面積之和就是某個腦區(qū)的表面積[37]。以中國科學(xué)院腦圖譜為模板[38],除了基于定點的重建外,F(xiàn)reesurfer還自動將每側(cè)半球皮質(zhì)分割成相同的105 個腦區(qū),分別計算每個腦區(qū)的表面積。這些步驟在后面皮層厚度和體積計算過程中也將用到。
利用在皮質(zhì)表面創(chuàng)建的多邊形網(wǎng)格模型,皮質(zhì)每個頂點的厚度是根據(jù)兩個距離的平均值計算的[39-40],第一個距離是白質(zhì)表面(皮質(zhì)內(nèi)表面)頂點到皮質(zhì)外表面(不一定是皮質(zhì)外表面頂點)的距離,第二個距離是相對應(yīng)的皮質(zhì)外表面頂點到白質(zhì)表面(同樣,不一定是皮質(zhì)內(nèi)表面頂點)的距離。最后每個腦區(qū)的平均厚度可由Freesurfer軟件自動生成。
皮質(zhì)體積的計算原理不是簡單的直接用皮質(zhì)表面積乘以厚度,那樣會低估皮質(zhì)外部凸面組織的體積,同時高估皮質(zhì)內(nèi)表面組織體積,而是把皮質(zhì)內(nèi)外側(cè)面分割成不同的成對匹配面,每對匹配面都可以用來定義一個不規(guī)則多面體[41]。這個多面體是一個斜截角的三角金字塔,可以完美地分成三個不規(guī)則的四面體,它們既不重疊,也不留空隙。該不規(guī)則多面體的六個頂點坐標(biāo)可從表面網(wǎng)格模型中獲得,根據(jù)頂點坐標(biāo),F(xiàn)reesurfer 軟件可以自動計算每個四面體的體積并相加,從而可以得到每個腦區(qū)的體積。
采用恢復(fù)率(recovery ratio,RR)評價患者康復(fù)治療后運(yùn)動功能改善情況。
ΔFMAActual是第3 次FMA 評分減去第1 次FMA評分:
ΔFMAActual=FMAT3-FMAT1
ΔFMAPotential是第1 次FMA 評分與FMA 總分100 分的差值,表示患者發(fā)病后功能恢復(fù)至正常的最大可能潛力:
ΔFMAPotential=100-FMAT1
用這個計算方法主要是考慮到病情的初始嚴(yán)重程度可能會影響只用變化分值評價的準(zhǔn)確性,因為病情開始較重的治療后恢復(fù)的分值變化可能更大,之前Lin等[22]已對這個問題有詳細(xì)論述。
采用IBM SPSS 24.0 (IBM Corp,Armonk,NY)的Windows 版本進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用兩因素重復(fù)測量方差分析分別檢驗康復(fù)治療過程中105 個腦區(qū)[38]皮質(zhì)表面積、厚度、體積在病灶同側(cè)半球腦區(qū)與病灶對側(cè)半球腦區(qū)有無差異。兩因素是指時間因素(T1、T2、T3)和組間因素(IH、CH)。采用Spearman 線性相關(guān)分析有統(tǒng)計學(xué)差異腦區(qū)的結(jié)構(gòu)變化與RR 之間的相關(guān)性。顯著性水平α=0.05。
22 例患者中,男性17 例,女性5 例;年齡(57±11.3)歲;左側(cè)發(fā)病10 例,右側(cè)12 例;入組時發(fā)病(19.2±6.4)d,處于亞急性期;NIHSS評分(5.8±3.4)分,主要為輕中度腦卒中患者;第1 次FMA 評分(49.1±23.0)分,第2次(69.6±21.7)分,第3次(77.2±21.2)分。
在皮質(zhì)表面積分析中,3 個有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)分別是楔前葉的背內(nèi)側(cè)頂枕溝的dmPOS、枕極皮層的OPC 和中央后回的A3ulhf 腦區(qū)。其中,dmPOS 腦區(qū)表面積和OPC 腦區(qū)表面積的時間主效應(yīng)顯著(P<0.05),dmPOS 隨時間變化減小而OPC 增大,而組間主效應(yīng)不顯著(P>0.05);A3ulhf腦區(qū)表面積的時間主效應(yīng)不顯著,而組間主效應(yīng)顯著(P<0.05),病灶對側(cè)半球的平均表面積大于病灶同側(cè)半球。見表1、圖1。
所有腦區(qū)皮層厚度的組間主效應(yīng)均不顯著(P>0.05)。有19個腦區(qū)的皮層厚度的時間主效應(yīng)顯著(P<0.05),其中頂葉10 個,額葉和顳葉各4 個,枕葉1個。配對分析顯示,腦區(qū)厚度的顯著性差異主要存在第1 次與第2 次、第1 次與第3 次之間,第2 次與第3次之間存在顯著性差異的只有位于楔前葉的A5m 和dmPOS 腦區(qū),且dmPOS 只在第1次與第3次之間、第2 次與第3 次之間存在顯著性差異(P<0.05),提示該腦區(qū)皮質(zhì)厚度隨時間變化發(fā)生階段可能較晚。絕大部分腦區(qū)皮質(zhì)厚度隨時間變化呈逐漸減少趨勢,僅海馬旁回的A36r 腦區(qū)的第2 次平均厚度較第1 次升高。見表1。
在腦區(qū)體積的分析中,共發(fā)現(xiàn)20個腦區(qū)的時間主效應(yīng)顯著(P<0.05),其中19 個腦區(qū)與皮質(zhì)厚度的時間主效應(yīng)顯著的腦區(qū)一致,僅增加位于額上回內(nèi)側(cè)的A9m 腦區(qū)。配對分析顯示,差異主要存在于第1 次與第2 次之間,并且皮質(zhì)體積在雙側(cè)半球大部分腦區(qū)隨時間變化呈逐漸減少趨勢,僅海馬旁回的A36r 腦區(qū)的第2 次平均體積較第1 次升高。另外,位于中央后回的A3tonIa 腦區(qū)體積組間主效應(yīng)顯著(P<0.05),病灶同側(cè)半球的平均皮質(zhì)體積比病灶對側(cè)半球小。見表1~表2、圖1。
表1 病灶同側(cè)與病灶對側(cè)半球兩因素重復(fù)測量方差分析結(jié)果
以上結(jié)果顯示,位于中央后回的A3ulhf腦區(qū)表面積、A3tonIa 腦區(qū)體積在雙側(cè)半球間存在顯著性差異。對這兩個腦區(qū)的表面積、厚度和體積變化分別與RR進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,病灶側(cè)半球A3tonIa 腦區(qū)的厚度和體積變化與RR 呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)。見圖2。
本研究發(fā)現(xiàn),在皮質(zhì)下缺血性卒中發(fā)病后的前3個月,康復(fù)治療過程中雙側(cè)半球均出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變化,并且主要發(fā)生在康復(fù)前與康復(fù)1 個月之間,大約相當(dāng)于腦卒中后的前2 個月,這與之前研究發(fā)現(xiàn)的臨床功能的改善主要發(fā)生在腦卒中后前10 周基本一致[11-12],另外中央后回A3ulhf 腦區(qū)表面積和A3tonIa 腦區(qū)體積在兩側(cè)半球之間存在差異,共同表現(xiàn)為病灶同側(cè)半球小于病灶對側(cè)半球,病灶側(cè)半球A3tonIa 腦區(qū)厚度和體積的減少與運(yùn)動功能的恢復(fù)呈負(fù)相關(guān)。
本研究還發(fā)現(xiàn),腦卒中康復(fù)過程中遠(yuǎn)離皮質(zhì)下病灶的雙側(cè)大腦半球均發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化,這是腦可塑性機(jī)制的體現(xiàn)。Bethe等[42]在1930年首次提出腦可塑性,主要是指大腦可以對外界環(huán)境的變化做出應(yīng)答,是神經(jīng)系統(tǒng)為適應(yīng)環(huán)境變化或應(yīng)對危險的一種動態(tài)修復(fù)能力,在生理情況下和病理情況下均可出現(xiàn)結(jié)構(gòu)及功能的可塑性變化。Vaquero 等[43]發(fā)現(xiàn),與非音樂人相比,鋼琴家表現(xiàn)出雙側(cè)殼狀核、右丘腦、雙側(cè)舌狀回和左顳上回的灰質(zhì)體積更大,提示運(yùn)動技能訓(xùn)練可以引起腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。Pundik 等[44]觀察到慢性腦卒中患者經(jīng)康復(fù)治療后病灶同側(cè)枕葉皮質(zhì)厚度增加。
圖1 病灶同側(cè)半球與對側(cè)半球組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)
圖2 中央后回A3tonla腦區(qū)結(jié)構(gòu)變化與RR相關(guān)性
表2 有顯著性差異腦區(qū)位置信息
另外,我們發(fā)現(xiàn),這些腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變在腦卒中后的前2 個月最明顯,并且雙側(cè)半球的皮質(zhì)表面積、厚度和體積在此間期主要呈下降趨勢。這些結(jié)果不僅為臨床功能的改善提供了影像學(xué)證據(jù)支持,同時也提示腦卒中后盡早給予康復(fù)治療的必要性。
對于衡量結(jié)構(gòu)可塑性的皮質(zhì)表面積、厚度和體積,三者存在時間主效應(yīng)差異的腦區(qū)并不完全一致。皮質(zhì)厚度和皮質(zhì)體積隨時間變化的腦區(qū)基本一致且數(shù)量較多,但只發(fā)現(xiàn)2 個腦區(qū)的皮質(zhì)表面積隨時間變化有統(tǒng)計學(xué)意義,提示皮質(zhì)下病灶可能對皮質(zhì)厚度和體積影響更明顯,這可能與皮質(zhì)下白質(zhì)纖維受損后引起相關(guān)的皮質(zhì)神經(jīng)變性有關(guān)[14,28,45]。Duering 等[14]研究發(fā)現(xiàn),與病灶相距較遠(yuǎn)的皮質(zhì)有局灶性萎縮,特別是與病灶存在高度連通性的區(qū)域變薄更為明顯,連接病灶與遠(yuǎn)端皮質(zhì)的白質(zhì)纖維束微結(jié)構(gòu)損傷與該區(qū)域厚度變化顯著相關(guān)。Cai等[13]發(fā)現(xiàn),與急性期相比,1 年后病灶側(cè)中央前回、中央旁回體積明顯減少,但病灶對側(cè)的眶額葉皮質(zhì)、額中回和額葉下回體積明顯增加。以上這兩個研究均采用單一的指標(biāo)觀察腦卒中后病灶遠(yuǎn)端的腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)可塑性變化,與本研究結(jié)果一致的是均觀察到病灶同側(cè)相關(guān)腦區(qū)萎縮減小,但本研究并沒有觀察到Cai等研究中病灶對側(cè)的相關(guān)腦區(qū)顯著增加。原因可能如下。①觀察時間不同,本研究觀察發(fā)病前3 個月,而Cai等的研究中觀察發(fā)病后1 年;②分析方法不同,本研究是用基于表面的方法計算皮質(zhì)厚度和體積,而Cai 等的研究是基于體素計算,二者雖然都可以用來研究皮質(zhì)結(jié)構(gòu)變化,但計算方式有差異,有研究報道基于表面的計算方法可能更優(yōu)[46]。另外,本研究是同時采用表面積、厚度和體積3 個指標(biāo)參數(shù)評價結(jié)構(gòu)可塑性變化,可更全面地評價腦卒中后腦結(jié)構(gòu)的變化特性。
從時間主效應(yīng)顯著的腦區(qū)解剖位置分布上看,主要包括額上回、額下回、中央前回、中央旁小葉、中央后回、楔前葉、頂上小葉、頂下小葉、海馬旁回、枕葉外側(cè)皮質(zhì)等。額上回、中央前回、中央旁小葉主要涉及初級運(yùn)動功能區(qū)及輔助運(yùn)動功能區(qū),中央后回主要涉及軀體感覺功能區(qū),額下回、楔前葉及海馬旁回主要涉及認(rèn)知功能區(qū),枕葉外側(cè)皮質(zhì)主要涉及視覺中樞。這些腦區(qū)在之前的相關(guān)研究也有報道。Fan等[15]發(fā)現(xiàn),海馬、楔前葉體積增加并且與運(yùn)動功能改善呈正相關(guān),提示認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)的結(jié)構(gòu)重組可能有助于運(yùn)動功能的恢復(fù)。另外,Sterr 等[47]發(fā)現(xiàn)慢性腦卒中患者康復(fù)治療后病灶對側(cè)的軀體感覺皮層厚度增加。Pundik 等[44]研究發(fā)現(xiàn),康復(fù)治療后枕極、枕外皮質(zhì)、距骨內(nèi)皮層、顳下回等區(qū)域皮質(zhì)厚度增加,并與臨床癥狀的改善呈正相關(guān)。本研究同樣觀察到位于海馬旁回的A36r 腦區(qū)厚度和體積在康復(fù)過程中呈增加趨勢,并沒有發(fā)現(xiàn)軀體感覺皮層厚度增加,可能與研究的觀察階段不一樣有關(guān)。因此,偏癱患者在康復(fù)治療過程中可伴有認(rèn)知、感覺等功能分區(qū)的結(jié)構(gòu)可塑性改變,認(rèn)知能力對于運(yùn)動功能的恢復(fù)可能具有重要意義[48]。
本研究還發(fā)現(xiàn),中央后回A3ulhf腦區(qū)的表面積和A3tonIa 腦區(qū)的體積組間主效應(yīng)顯著,即病灶對側(cè)腦區(qū)的表面積及體積大于病灶同側(cè),但這兩個腦區(qū)的皮質(zhì)厚度在病灶同側(cè)半球和對側(cè)半球間無差異。此前沒有文獻(xiàn)報道過病灶同側(cè)與病灶對側(cè)半球腦區(qū)結(jié)構(gòu)對比結(jié)果,這兩個腦區(qū)在兩組之間出現(xiàn)差異的原因還很難解釋,為進(jìn)一步明確這兩個腦區(qū)是否真的存在不同半球之間差異,可能還需要做更多的工作,如從功能和電生理方面了解是否存在差異,擴(kuò)大樣本量等。另外,相關(guān)性分析提示,病灶側(cè)A3tonIa 腦區(qū)的厚度和體積減小越明顯,運(yùn)動功能的恢復(fù)可能越差,提示感覺功能在偏癱患者的功能恢復(fù)過程中起到很大作用,這與之前的研究[30]提示遠(yuǎn)端皮質(zhì)的多發(fā)性萎縮與殘余運(yùn)動缺陷的程度有關(guān)相一致。
綜上所述,本研究通過觀察亞急性期皮質(zhì)下卒中患者在康復(fù)過程中皮質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的動態(tài)變化,為此階段臨床功能的恢復(fù)提供了一些影像學(xué)證據(jù),并且有助于將來發(fā)展康復(fù)新技術(shù)及開展個體化治療方案的研究。
利益沖突聲明:所有作者聲明不存在利益沖突。