脊髓損傷患者運(yùn)動想象期間的近紅外腦功能成像研究

鄒 穎,張長杰,孔 瑛

1.中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院康復(fù)科,長沙 410011;2.岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 岳陽 414000

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)是由于不同病因引起脊髓結(jié)構(gòu)和功能的損害，造成脊髓損傷水平以下的運(yùn)動、感覺、括約肌及植物神經(jīng)功能障礙[1]。因其嚴(yán)重影響患者的工作和生活，SCI后如何促進(jìn)患者運(yùn)動功能恢復(fù)成為當(dāng)前最重要的課題之一。

運(yùn)動想象(motor imagery，MI)是大腦的一種主動認(rèn)知活動，是指受試者在意識上執(zhí)行特定運(yùn)動而不產(chǎn)生實際的運(yùn)動輸出[2]。目前常見MI有兩種：第一種是視覺運(yùn)動想象(visual motion imagery，VMI)，要求被試者從第三人稱角度在腦海中清晰地看到自己或他人做特定運(yùn)動過程的畫面；第二種是動覺運(yùn)動想象(kinesthetic motion imagery，KMI)，要求被試者從第一人稱視角進(jìn)行想象(即被試在心理排演運(yùn)動過程并體驗運(yùn)動的感覺但不發(fā)生實際運(yùn)動)[3]。MI療法作為康復(fù)治療手段，具有安全、有效、低成本和可反復(fù)使用性，已廣泛應(yīng)用于正常人的體育[4]、音樂[5]等領(lǐng)域中。近來，MI被應(yīng)用于改善腦卒中[6]、帕金森[7]和SCI后的運(yùn)動康復(fù)[8-10]中，但MI療法的治療機(jī)制至今缺乏明確結(jié)論，仍存在廣泛爭議。

運(yùn)動執(zhí)行(motor execution，ME)是指用實際動作執(zhí)行運(yùn)動過程，伴隨可見的運(yùn)動輸出。良好的ME是肢體運(yùn)動功能障礙患者的康復(fù)目標(biāo)，MI作為康復(fù)治療技術(shù)，其療效通常采用行為學(xué)/臨床量表進(jìn)行評定[8-9]。其弊端為具有一定主觀性，而神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)則可通過MI和ME腦區(qū)激活對比，從客觀角度對MI療效進(jìn)行評價，同時還可從腦功能角度對MI療法的機(jī)制提供理論依據(jù)。

近紅外腦功能成像(functional near-infraed spectroscopy，fNIRS)是一種新興的影像學(xué)技術(shù)，是基于光學(xué)手段檢測的血紅蛋白變化引起光譜吸收的變化,基于神經(jīng)-血管耦合機(jī)制，腦功能活動的變化會引起局部腦血流的變化，神經(jīng)元活動的增加伴隨腦氧代謝的增加，在大腦皮層血管中的氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin，HbO2)和脫氧血紅蛋白(deoxymyoglobin，HbR)對近紅外光波段的光波產(chǎn)生不同程度的吸收，造成近紅外光衰減，根據(jù)光衰減量與組織中發(fā)色團(tuán)濃度變化的相關(guān)性，fNIRS可以定量分析腦組織中HbO2和HbR的濃度變化。fNIRS對比功能性磁共振與腦電圖功能成像具有時空分辨率高、抗干擾性強(qiáng)、人群適用廣泛、應(yīng)用場景無限制、可移動性好等技術(shù)優(yōu)勢，因此fNIRS 被越來越廣泛地應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)、精神疾病等臨床領(lǐng)域[11]。

既往研究發(fā)現(xiàn)SCI后大腦也會發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能上的改變[10]，SCI恢復(fù)缺乏明確機(jī)制可能是由于以往大多數(shù)研究集中在脊髓損傷的局部病變，而忽略了潛在的腦改變。本課題擬通過fNIRS技術(shù)對SCI患者在MI任務(wù)態(tài)下的大腦皮層結(jié)構(gòu)和功能的改變進(jìn)行研究，為探討合理的康復(fù)治療手段提供理論依據(jù)。

資料與方法

1一般資料

前瞻性研究2021年6月—2021年8月中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院康復(fù)科收治的21例SCI患者及同期面向社會公開招募的23名健康志愿者,將受試者分成SCI組與健康組。

SCI組患者男性14例，女性7例；年齡29～63歲，平均47.4歲；平均病程為(6.1±5.7)個月。根據(jù)《脊髓損傷神經(jīng)學(xué)分類國際標(biāo)準(zhǔn)》[12]，A級3例，B級7例，C級5例，D級6例，均為椎體骨折。健康組男性14名，女性9名；年齡20～64歲，平均41.4歲。本研究方案經(jīng)中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)(LYG2021062)，受試者在試驗前均簽署知情同意書。

2試驗方法

2.1任務(wù)態(tài)模式 采用區(qū)塊設(shè)計：任務(wù)期20s，靜息期30s，任務(wù)期與靜息期重復(fù)交替5次，考慮到受試者需要適應(yīng)檢測環(huán)境以及保證fNIRS信號達(dá)到穩(wěn)態(tài)，區(qū)塊前加入10s基線靜息數(shù)據(jù)，共采集260s數(shù)據(jù)。

2.2任務(wù)設(shè)置 受試者戴好fNIRS配套的光學(xué)探查頭帽，取仰臥位，雙上肢靜置于身體兩側(cè)，雙下肢伸直，待熟悉環(huán)境后開始試驗。ME:健康受試者注意聽取指令并根據(jù)指令的節(jié)奏進(jìn)行右膝關(guān)節(jié)反復(fù)屈伸動作(腳底貼床面，屈膝60°，伸膝180°)，頻率約為0.25Hz，活動20s后，休息30s，重復(fù)5次。運(yùn)動過程由研究者全程監(jiān)控。MI：所有受試者根據(jù)電腦指令進(jìn)行右膝關(guān)節(jié)屈伸的MI，頻率、幅度和模式與ME相同。本試驗采用KMI而非VMI，研究表明KMI與ME激活腦區(qū)更為相似[10]。

2.3近紅外數(shù)據(jù)記錄 使用fNIRS系統(tǒng)(NirSmartⅡ-3000B，丹陽慧創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備有限公司)，采用連續(xù)波激光二極管記錄皮層活動。本研究中，28個NIRS探頭(14個光源和14個探測器)組成35個有效觀測通道(圖1)，使用支架固定fNIRS燈，并將光源與檢測器的距離設(shè)置為3cm。定義每個通道的中心為該通道探測的主要腦區(qū)，并以此點為原點進(jìn)行每個通道的腦區(qū)定位。根據(jù)大腦區(qū)域和Brodmann區(qū)域(BA)分為12個感興趣區(qū)域(region of intrest，ROI)：左運(yùn)動區(qū)(L-MA，對應(yīng)通道34/35)，右運(yùn)動區(qū)(R-MA，對應(yīng)通道18/31)，左感覺區(qū)(L-SA，對應(yīng)通道28/29/32/33)，右感覺區(qū)(R-SA，對應(yīng)通道1/15/17/30)，左緣上回(L-SMG，對應(yīng)通道13/14)，右緣上回(R-SMG，對應(yīng)通道2/16)，左背外側(cè)前額葉(L-DLPFC，對應(yīng)通道24/26)，右背外側(cè)前額葉(R-DLPFC，對應(yīng)通道21/23)，左布洛卡區(qū)(L-Broca，對應(yīng)通道11/12/25/27)，右布洛卡區(qū)(R-Broca，對應(yīng)通道3/4/19/20)，左側(cè)額極(L-FP，對應(yīng)通道8/9/10)，右側(cè)額極(R-FP，對應(yīng)通道5/6/7)。

圖1 通道排布：紫色S表示發(fā)射器，藍(lán)色D表示探測器，灰色CH表示通道。a.上方視角的通道排布情況;b.前方視角的通道排布情況

3統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié) 果

1一般資料比較

兩組受試者一般資料比較見表1。兩組受試者在年齡、受教育程度、性別經(jīng)統(tǒng)計學(xué)檢驗后P值均>0.05，表明兩組被試一般資料差異無統(tǒng)計學(xué)意義，具有可比性。

表1 兩組受試者一般資料比較

2SCI組MI與健康組MI、ME時共同激活腦區(qū)

采用NirSpark軟件，對三組△[HbO]值分別行單樣本t檢驗，結(jié)果示：健康組ME任務(wù)時，激活通道見圖2a；健康組MI任務(wù)時，激活通道見圖2b；SCI組MI時，激活通道見圖2c。

3SCI組MI與健康組MI任務(wù)時激活通道及對應(yīng)腦區(qū)差異

采用NirSpark軟件，對兩組△[HbO]值行雙樣本t檢驗，結(jié)果示：對比健康組MI，SCI組MI時3通道(t=2.211,P=0.032)、21通道(t=2.285,P=0.027)及30通道(t=2.147，P=0.037)有更多的激活，以上均未經(jīng)FDR校正，見圖3。再采用SPSS軟件對兩組受試者M(jìn)I任務(wù)時ROI的HbOβ值進(jìn)行對比分析，結(jié)果示：與健康組MI相比，SCI組MI期間右感覺區(qū)，左緣上回，左、右背外側(cè)前額葉，左、右布洛卡三角區(qū)，左、右額極有更多的激活，其中顯著性激活增多的是右感覺區(qū)(t=1.843，P=0.009)與左背外側(cè)前額葉(t=1.517，P=0.034)，見表2、圖4。

圖2 SCI組MI、健康組MI與ME期間腦區(qū)激活模式：采用NirSpark軟件行單樣本t檢驗，P<0.05，經(jīng)FDR校正，采納為顯著激活通道。a.顯示健康組ME任務(wù)期間，2、3、4、5、7、9、11、12、19、20、25、27、32、33和34通道被激活；b.顯示健康組MI任務(wù)期間2、16、27、32、33和35通道被激活；c.顯示SCI組MI任務(wù)期間9、13、17、25、27、29和35通道被激活。根據(jù)通道配準(zhǔn)信息，健康組與SCI組MI任務(wù)時激活的運(yùn)動區(qū)為前運(yùn)動皮層，健康組ME期間運(yùn)動區(qū)僅有初級運(yùn)動皮層激活；SCI組MI期間，健康組ME及MI期間有相似激活腦區(qū)，左感覺區(qū)、左運(yùn)動區(qū)、緣上回和左布洛卡三角區(qū)被共同激活。矩陣表示t值，ME表示運(yùn)動執(zhí)行，MI表示運(yùn)動想象

圖3 SCI組與健康組MI任務(wù)期間腦區(qū)激活差異：采用NirSpark軟件行獨(dú)立樣本t檢驗，P<0.05，未經(jīng)FDR校正，采納為激活差異通道。a.上方視角的兩組MI任務(wù)期間通道激活差異；b.前方視角的兩組MI任務(wù)期間通道激活差異。a、b(結(jié)合NirSprak系統(tǒng)計算)顯示：相較于健康組MI，SCI組MI任務(wù)期間3、21、30通道激活顯著性增多。矩陣表示t值，MI表示運(yùn)動想象

表2 MI任務(wù)時兩組各腦區(qū)HbO的β值對比

*表示P在0.01～0.05,**表示P<0.01；MI：運(yùn)動想象；L/R：左/右；MA：運(yùn)動區(qū)；SA：感覺區(qū)；SMG：緣上回；DLPFC：背外側(cè)前額葉；BROCA：布洛卡區(qū)；FP：額極

討 論

本研究中，SCI組MI、健康組ME及MI任務(wù)期間有相同激活腦區(qū)，左感覺區(qū)、左運(yùn)動區(qū)、緣上回和左布洛卡三角區(qū)被共同激活。大量臨床研究表明MI療法可改善SCI后患者的運(yùn)動功能[8-9]，但多以運(yùn)動相關(guān)參數(shù)評定為依據(jù)，本研究結(jié)果為SCI患者M(jìn)I運(yùn)動療法機(jī)制提供了神經(jīng)影像學(xué)理論依據(jù)。

健康組與SCI組MI期間前運(yùn)動皮層(premotor cortex，PMC)及輔助運(yùn)動區(qū)(supplemental motor area，SMA)激活，雖有研究顯示初級運(yùn)動皮層(primary motor cortex，M1)參與到MI中[13]，但實際MI任務(wù)中運(yùn)動區(qū)仍以PMC及SMA激活為主[14]，這種激活模式可能與MI期間PMC參與運(yùn)動計劃[15]，并且運(yùn)動啟動前PMC/SMA抑制M1的興奮性有關(guān)[16]；健康組ME時運(yùn)動區(qū)僅M1激活，則與M1參與運(yùn)動執(zhí)行相關(guān)[17]，但Economo等[18]和Li等[19]團(tuán)隊在老鼠延遲反應(yīng)任務(wù)中發(fā)現(xiàn)：背側(cè)前運(yùn)動皮層(被視為靈長類動物的PMC的同源物)，含兩種神經(jīng)元，一種投射至丘腦優(yōu)先參與運(yùn)動計劃，一種投射至腦干和脊髓的運(yùn)動前中心在運(yùn)動執(zhí)行中發(fā)揮作用，說明除了M1，PMC也參與運(yùn)動執(zhí)行。但本研究中健康組ME期間僅有M1激活卻無PMC的激活，可能原因是：運(yùn)動啟動時PMC興奮性通過皮質(zhì)皮質(zhì)通路[20]或皮質(zhì)丘腦通路[21]促進(jìn)M1激活增加[20]，但運(yùn)動啟動后隨著M1激活增多可能會反向抑制PMC/SMA的興奮性。這可以解釋本試驗的結(jié)果，但證據(jù)薄弱，需做正常成人ME期間的PMC/SMA與M1的腦網(wǎng)絡(luò)連接分析來進(jìn)一步驗證。

與健康組MI比較，SCI組MI時右感覺區(qū)有更多的激活，這可能與感覺皮層參與運(yùn)動學(xué)習(xí)有關(guān)，Ohashi等[22]及Kumar等[23]研究顯示人類運(yùn)動學(xué)習(xí)過程中，體感皮層興奮性的變化先于運(yùn)動皮層，參與到人類鞏固運(yùn)動記憶中[24]，知覺學(xué)習(xí)會導(dǎo)致額葉運(yùn)動區(qū)域發(fā)生變化[25]，有助于運(yùn)動學(xué)習(xí)。結(jié)合本研究結(jié)果提示：(1)SCI患者或由于肢體運(yùn)動功能缺失，代償性需要啟動更多的感覺皮層來促進(jìn)運(yùn)動學(xué)習(xí)；(2)MI療法可能通過增加SCI患者感覺皮層激活，從而增強(qiáng)患者運(yùn)動學(xué)習(xí)能力。

SCI組L-DLPFC激活增多則可能與內(nèi)隱序列學(xué)習(xí)能力代償性增多有關(guān)。最新研究表明，對健康受試者L-DLPFC行陽極經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)，結(jié)果示內(nèi)隱運(yùn)動學(xué)習(xí)任務(wù)的反應(yīng)時間明顯增快[26]，DLPFC的theta爆發(fā)刺激可以改變紋狀體和海馬體中與運(yùn)動序列學(xué)習(xí)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能連接[27]，以上表明DLPFC是負(fù)責(zé)序列學(xué)習(xí)的神經(jīng)元底物的一部分。對于SCI患者而言，L-DLPFC的刺激療法更多應(yīng)用于SCI后的神經(jīng)性疼痛[28]。最新一項Meta分析[29]報道稱,L-DLPFC高頻經(jīng)顱磁刺激減少了神經(jīng)性疼痛，并且觀察到刺激后長達(dá)3個月的后續(xù)鎮(zhèn)痛效果,與L-DLPFC參與調(diào)節(jié)大腦垂體后葉的催產(chǎn)素分泌水平，從而緩解疼痛有關(guān)[30]。由此可見，SCI組L-DLPFC的激活增多除與隱性運(yùn)動序列學(xué)習(xí)有關(guān)外，或與代償性抑制神經(jīng)性疼痛也產(chǎn)生關(guān)聯(lián)；而R-DLPFC激活增多則可能因患者生活自理能力下降導(dǎo)致情緒低落引起。研究表明重度抑郁常出現(xiàn)R-DLPFC的過度激活[31]，通過激活L-DLPFC，抑制R-DLPFC，可以達(dá)到緩解抑郁的作用[32]。

本研究局限性在于樣本量有限，后續(xù)可增加樣本量，分析獲得更為客觀的結(jié)論對本研究結(jié)果予以補(bǔ)充和修正；且本研究為橫斷面研究，缺乏行為學(xué)/臨床量表對MI療效的評估，后續(xù)可采用相對長時多頻次MI療法，對行為學(xué)參數(shù)評分與相關(guān)腦區(qū)激活強(qiáng)度行線性相關(guān)分析，進(jìn)一步挖掘MI療法的機(jī)制。

綜上可見，DLPFC是一個功能和結(jié)構(gòu)上的異質(zhì)性區(qū)域，涉及認(rèn)知、情感和感覺加工，DLPFC的應(yīng)用治療似乎可以同時改善SCI患者運(yùn)動序列學(xué)習(xí)、抑郁及緩解神經(jīng)性疼痛，可為SCI后的康復(fù)治療提供一個新的研究和治療方向。同時本研究從皮層激活角度證實MI療法可改善SCI患者肢體運(yùn)動功能：(1)SCI組MI期間腦區(qū)激活模式與健康組ME期間相似；(2)SCI患者或通過MI療法激活更多的感覺皮層與左背外側(cè)前額葉來增強(qiáng)運(yùn)動學(xué)習(xí)和隱性序列學(xué)習(xí)能力。

作者貢獻(xiàn)聲明：鄒穎：文章撰寫、臨床試驗、收集數(shù)據(jù)及分析；張長杰：指導(dǎo)研究、數(shù)據(jù)分析；孔瑛：文獻(xiàn)解讀、試驗討論、驗證數(shù)據(jù)