基于多模態(tài)磁共振的手運(yùn)動(dòng)皮層
——“手節(jié)”的研究進(jìn)展*

張晶晶 楊智強(qiáng) 劉 衡

遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院影像科 (貴州 遵義 563003)

人類初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(primary motor cortex，M1)位于中央前回，在執(zhí)行自主運(yùn)動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。Penfield等[1]通過(guò)術(shù)中直接電刺激證明存在于中央前回的人體的體位表征，即所謂的運(yùn)動(dòng)小人。手在M1區(qū)的表現(xiàn)主要局限于中央前回特定部分，稱為“手節(jié)”，該區(qū)域的病變與手功能障礙相關(guān)。手節(jié)的形態(tài)特征可用于識(shí)別中央前回，它形成中央溝的“中膝”，正好位于中央前溝和中央溝的交叉點(diǎn)，在皮層表面可見，是正常和病理?xiàng)l件下識(shí)別中央前回的可靠標(biāo)志，可以快速并準(zhǔn)確觀察病變與中央前回的關(guān)系。因此，本文就手節(jié)的定位、形態(tài)、功能及與其相關(guān)的疾病研究進(jìn)行綜述，旨在通過(guò)手節(jié)的解剖與功能關(guān)系為臨床相關(guān)疾病的干預(yù)和治療提供更多的參考。

1 手節(jié)的定位與形態(tài)

1.1 手節(jié)的定位隨著“小人”(“homunculus”)概念[1]的發(fā)展，手運(yùn)動(dòng)的皮層表征被認(rèn)為位于中央前回的上部(圖1)。功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)以及清醒時(shí)顱腦腫瘤切除等研究[2-4]證明手節(jié)主要位于中央前回皮層區(qū)域。矢狀位上手節(jié)平均深度約17mm，平均高度約19mm[2]；軸位上手節(jié)平均直徑約14mm，右側(cè)手節(jié)位于冠狀縫線后約(45.1±5.2)mm，外側(cè)距中線約(33.9±3.4)mm；左側(cè)手節(jié)位于冠狀縫線后約(44.6±5.7)mm，外側(cè)距中線約(33.2±2.5)mm(測(cè)量方法見圖2)[5]。精確地定位可以在無(wú)框架導(dǎo)航系統(tǒng)或神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)不可用的情況下(例如在創(chuàng)傷環(huán)境中或在緊急手術(shù)中)向神經(jīng)外科醫(yī)生傳達(dá)關(guān)鍵的解剖學(xué)信息，從而有助于顱內(nèi)病變的定位以及在手術(shù)室中放置鉆孔。

圖1 “運(yùn)動(dòng)小人”圖，即初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層中控制身體特定部位的地形圖。手運(yùn)動(dòng)的皮層表征位于初級(jí)運(yùn)功皮層的上部。

圖2 手節(jié)在CT上測(cè)量方法[5]。(a)顱腦CT骨窗：虛線為中線，實(shí)線為冠狀縫線，箭頭所示為冠狀縫；(b)顱腦CT腦窗：線同(a)圖，a和b為手節(jié)的兩個(gè)端點(diǎn)，d為ab中點(diǎn)，ab為手節(jié)寬度，cd為手節(jié)高度；df為手節(jié)到中線的距離；de為手節(jié)到冠狀縫線的距離。

1.2 手節(jié)的形態(tài)手節(jié)在CT和MR軸位上呈倒置Ω形(90%)或ω形(10%)，在矢狀面上呈鉤形(92%)[2]。Ω形手節(jié)兩端存在兩條向前的小裂隙，這些裂隙起源于中央前溝的中膝部；ω形手節(jié)存在位于兩條裂隙之間的第三條裂隙。Caulo等[6]研究發(fā)現(xiàn)了除Ω形或ω形外，還存在三種手節(jié)變異形態(tài)：內(nèi)側(cè)不對(duì)稱ω形、外側(cè)不對(duì)稱ω形和null形。ω形手節(jié)變異：將ω形手節(jié)在視覺上分為相等的3部分，即內(nèi)側(cè)、中央及外側(cè)，根據(jù)第三條裂隙所在部位將ω形手節(jié)分為內(nèi)側(cè)不對(duì)稱ω形、ω形及外側(cè)不對(duì)稱ω形；null形手節(jié)變異指手節(jié)高度低于中央前回皮層厚度。在這5種形狀的手節(jié)中，最常見的是Ω形，其次是ω形、外側(cè)不對(duì)稱ω形和內(nèi)側(cè)不對(duì)稱ω形，null形出現(xiàn)的頻率最低 (圖3)。

圖3 手節(jié)形態(tài)MRI示意圖。紅色線條勾勒出手節(jié)形態(tài)。(a)倒Ω形；(b)ω形；(c)內(nèi)側(cè)不對(duì)稱ω形；(d)外側(cè)不對(duì)稱ω形；(e)null形。

研究還發(fā)現(xiàn)男性ω形是女性的兩倍，男性大腦半球間不對(duì)稱性高于女性[6-7]。手節(jié)的形態(tài)變異和它們的半球間組合是否能夠反映手運(yùn)動(dòng)行為的功能差異是未來(lái)研究的一個(gè)重要的方向。研究證實(shí)形態(tài)上的差異會(huì)導(dǎo)致大腦皮層某些解剖屬性的差異，從而與人類行為的改變有關(guān)[8]。因此，是否可以通過(guò)手節(jié)的形態(tài)學(xué)改變來(lái)判斷患者手功能受損程度需要進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)。

2 手節(jié)功能

人類手節(jié)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)學(xué)研究顯示，手節(jié)的吻-尾方向上的不同結(jié)構(gòu)區(qū)在手運(yùn)動(dòng)中扮演不同的角色[9-11]。Amiez 等[11]證實(shí)了尾側(cè)手節(jié)參與手部運(yùn)動(dòng)的控制，而吻側(cè)手節(jié)參與手部運(yùn)動(dòng)的選擇(靠近中央溝的區(qū)域?yàn)槲矀?cè)手節(jié)；靠近中央前溝的區(qū)域?yàn)槲莻?cè)手節(jié))。使用皮層內(nèi)微刺激(intracortical microstimulation，ICMS)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究中證明不同M1亞區(qū)的結(jié)構(gòu)特征在運(yùn)動(dòng)控制中起著不同的作用[12-13]。

M1手節(jié)區(qū)的吻側(cè)亞區(qū)和尾側(cè)亞區(qū)可能通過(guò)不同的皮質(zhì)脊髓聯(lián)系在運(yùn)動(dòng)控制中發(fā)揮不同的作用。M1的尾部(稱“新M1”)，包括中央溝的邊緣，顯示密集的皮層神經(jīng)元(corticomotoneuronal，CM)投射，而吻部(稱“舊M1”)顯示很少的CM投射。與這一結(jié)構(gòu)證據(jù)相一致的是，這兩個(gè)區(qū)段的ICMS誘發(fā)出具有不同特征的興奮性突觸后電位：兩個(gè)區(qū)段都能誘發(fā)長(zhǎng)潛伏期的單突觸電位，但只有新的M1區(qū)表現(xiàn)出快速的單突觸電位[12]。Vigano等[14]發(fā)現(xiàn)手節(jié)內(nèi)存在皮質(zhì)興奮性的非均勻的吻-尾部分布，且尾部的興奮性明顯高于吻部，同時(shí)也表明在上肢多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，吻部手節(jié)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端和近端肌肉之間的功能協(xié)同中起著重要作用。

除了不同的皮質(zhì)脊髓聯(lián)系外，這兩個(gè)部分可能通過(guò)不同的皮質(zhì)-皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)起作用。在新大陸猴的整個(gè)M1凸面上展開的研究中發(fā)現(xiàn)，在吻-尾方向顯示了不同的皮質(zhì)-皮質(zhì)連接模式：吻側(cè)M1主要與運(yùn)動(dòng)前區(qū)，特別是背側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)和腹側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)的尾側(cè)部分相連，而尾側(cè)M1主要與軀體感覺皮層相連[15]。

研究認(rèn)為，這個(gè)手節(jié)的形成是由于存在一個(gè)連接中央前回和中央后回的隱藏回，稱為“額頂葉通道”(pli de passage fronto-parietal moyen，PPFM)[16-17]。在PPFM存在的情況下，中央溝的中心部分必須折疊到這個(gè)部位上，從而形成了手節(jié)。功能成像研究表明，手的運(yùn)動(dòng)是沿著手節(jié)的輪廓激活，表明這一區(qū)域代表了手運(yùn)動(dòng)的皮層區(qū)[3,18-19]。正電子發(fā)射斷層掃描研究[20]顯示，黑猩猩在伸展和抓握任務(wù)中，手的對(duì)側(cè)半球的手節(jié)區(qū)域被激活，表明該手節(jié)可能代表了該物種手運(yùn)動(dòng)區(qū)。而且手節(jié)的解剖不對(duì)稱與大體形態(tài)、手偏好及技能的個(gè)體差異有關(guān)[21-22]，這些發(fā)現(xiàn)表明手節(jié)既代表了手運(yùn)動(dòng)區(qū)，也可能代表了利手。在靈長(zhǎng)類動(dòng)物進(jìn)化過(guò)程中，隨著體積的增大，大腦皮層變得越來(lái)越折疊，Hopkins等[23]研究發(fā)現(xiàn)人類和猩猩有很大的PPFM回，表明它們?cè)谥醒肭盎睾椭醒牒蠡刂g有更大的連接性和感覺-運(yùn)動(dòng)整合。對(duì)人類而言，這可能反映了人類對(duì)雙腳站立的適應(yīng)，從而更多地使用手來(lái)使用工具和其他手運(yùn)動(dòng) 功能。

3 手節(jié)與疾病

3.1 卒中手節(jié)區(qū)卒中(圖4)常常引起孤立性手癱瘓，表現(xiàn)為手指局灶性無(wú)力，呈放射狀或尺側(cè)分布。這種類型的卒中比較罕見，大約占所有缺血性卒中的1%[24]。關(guān)于手節(jié)區(qū)卒中的文獻(xiàn)主要來(lái)自于病例報(bào)道，最常見的原因是動(dòng)脈粥樣硬化和心源性栓塞[24-25]，但是也有一部分是由于未確定的原因引起的[26]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期隨訪，大多數(shù)病例都顯示出良好的預(yù)后，因此手節(jié)區(qū)卒中被認(rèn)為是一種良性疾病，其并發(fā)癥少，功能預(yù)后良好。可能與神經(jīng)元的可塑性有關(guān)：小范圍的損傷導(dǎo)致手功能控制從受損區(qū)域轉(zhuǎn)移到鄰近的正常區(qū)域。由于預(yù)后取決于涉及的卒中機(jī)制和危險(xiǎn)因素的控制[27-28]，并且手節(jié)區(qū)卒中引起的孤立性手癱瘓常常與周圍神經(jīng)疾病相混淆，可能導(dǎo)致疾病的延遲診斷，從而失去血運(yùn)重建治療以及二級(jí)預(yù)防治療的機(jī)會(huì)。因此，手節(jié)區(qū)卒中應(yīng)該進(jìn)一步重視，尤其在以手部急性起病的運(yùn)動(dòng)/感覺障礙患者的周圍神經(jīng)系統(tǒng)疾病鑒別診斷中應(yīng)考慮到這一種疾病。

圖4 手節(jié)與卒中。(a)顱腦MRI中T2WI顯示左側(cè)手節(jié)區(qū)高信號(hào)(箭頭)；(b)MRI中FLAIR顯示左側(cè)手節(jié)區(qū)為高信號(hào)；(c)MRI中擴(kuò)散加權(quán)像左側(cè)手節(jié)區(qū)也為高信號(hào)。

3.2 腫瘤腦腫瘤在臨床中初步篩查是通過(guò)影像學(xué)檢查，影像學(xué)信息對(duì)臨床外科手術(shù)的方案選擇有重要參考作用，影像學(xué)檢查結(jié)果也是確保手術(shù)成功的基礎(chǔ)資料[29-30]。研究指出，隨著腫瘤到初級(jí)感覺運(yùn)動(dòng)皮層距離的減小，運(yùn)動(dòng)障礙呈線性增 加[31-32]。所以，腦腫瘤患者顱內(nèi)解剖學(xué)上變化可能會(huì)影響一些功能變化。Liang等[33]研究發(fā)現(xiàn)累及初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)的膠質(zhì)瘤可導(dǎo)致手節(jié)的形態(tài)學(xué)改變，從而導(dǎo)致對(duì)側(cè)手的功能障礙，并確定了手節(jié)區(qū)域的形態(tài)學(xué)變化與手功能之間的聯(lián)系，提出手節(jié)的寬度、高度和腫瘤到手節(jié)的最短距離是術(shù)前運(yùn)動(dòng)功能損害相關(guān)的三個(gè)解剖學(xué)生物標(biāo)志物(測(cè)量方法見圖5)，研究表明腫瘤導(dǎo)致手節(jié)寬度較窄、高度較小以及腫瘤距手節(jié)的距離較短更容易造成手功能障礙。

圖5 手節(jié)與腫瘤。(a)正常手節(jié)形態(tài)學(xué)：a和b是手節(jié)的兩個(gè)端點(diǎn)，d是a和b的中點(diǎn)，c是手節(jié)的頂部；手節(jié)寬度為a到b之間的距離，手節(jié)高度為c到d之間的距離；(b)腫瘤到手節(jié)的距離測(cè)量：e是腫瘤邊緣最靠近d的位置，腫瘤到手節(jié)的距離為d和e之間的距離。

4 結(jié)論與展望

手運(yùn)動(dòng)皮層—手節(jié)，作為識(shí)別中央前回地標(biāo)性結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的腦解剖結(jié)構(gòu)中，通過(guò)顱腦影像很容易發(fā)現(xiàn)，為影像科醫(yī)師及神外臨床醫(yī)師在病變定位上提供簡(jiǎn)捷而又可靠的方法。盡管功能成像技術(shù)基于激活區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系可識(shí)別解剖區(qū)域，但是大腦皮層的純解剖結(jié)構(gòu)標(biāo)志在研究和日常臨床實(shí)踐中仍然是基本且重要的。由于需要配備強(qiáng)大和快速梯度的高場(chǎng)強(qiáng)MR及額外的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集/分析，功能成像并未廣泛應(yīng)用。而手節(jié)作為識(shí)別中央前回的地標(biāo)性結(jié)構(gòu)，根據(jù)它的特征性形態(tài)及位置，可以在常規(guī)結(jié)構(gòu)MRI通過(guò)簡(jiǎn)單的形態(tài)學(xué)特征及線性測(cè)量來(lái)識(shí)別與定位病灶。

手是人類探索及創(chuàng)造世界的重要工具，也是完成信息溝通，進(jìn)行日常生活的重要載體。對(duì)照中國(guó)永久性功能障礙分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，人的上肢功能占全身功能的60%，手功能則占上肢功能的90%，所以完好的手功能在人們的學(xué)習(xí)、工作及日常生活中都起著非常重要的作用。手節(jié)作為手運(yùn)動(dòng)中樞，在手的自主運(yùn)動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，并且其結(jié)構(gòu)在影像上顯而易見。因?yàn)榻馄蕦W(xué)改變可能提示功能改變，所以當(dāng)病變累及手節(jié)相應(yīng)區(qū)域時(shí)，可以根據(jù)其形態(tài)學(xué)的變化初步判斷是否伴隨對(duì)應(yīng)手部的功能改變。運(yùn)用結(jié)構(gòu)MRI對(duì)手節(jié)形態(tài)學(xué)進(jìn)行定量分析，可以進(jìn)一步確定手節(jié)的形態(tài)學(xué)變化與手功能障礙之間的關(guān)系，達(dá)到通過(guò)手節(jié)形態(tài)學(xué)改變預(yù)測(cè)患者手功能障礙及程度，這將為疾病的早期診斷、干預(yù)及治療提供生物學(xué)標(biāo)志。

致謝

張晶晶參與了論文選題、文獻(xiàn)資料收集并起草了論文初稿；楊智強(qiáng)老師參與論文選題、完善和修改了論文；

劉衡教授指導(dǎo)了論文選題、提出修改意見并審閱論文。感謝蔣昊翔老師、楊陽(yáng)、胡杰、楊艷麗對(duì)本論文提出的修改建議。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、貴州省科技支撐計(jì)劃、遵義市科技計(jì)劃項(xiàng)目提供經(jīng)費(fèi)支持。