用弥散张量成像检测猕猴大脑运动区占位病变对健侧皮质脊髓束的作用

李经辉，马芳州，王载忠，鲁 毅，吴海鹰，孙学进,*，余化霖,*

1. 昆明医科大学第一附属医院 神经外二科, 云南 昆明 650032；

2. 昆明医科大学第一附属医院 放射科，云南 昆明 650032；

3. 昆明医科大学第一附属医院 急诊科，云南 昆明 650032

颅内占位性病变是中枢神经系统常见疾病，如肿瘤、血肿及炎症等，位于大脑运动功能区及其附近的占位性病变，可造成肢体瘫痪、颅内高压等临床症状。目前，手术切除病变仍是常用治疗手段，但手术风险大，易发生较严重的并发症，造成永久性肢体功能丧失。

大脑半球额叶运动区皮质锥体细胞及其轴突组成的皮质脊髓束 (corticospinal tract，CST)是控制肢体运动的直接中枢神经结构，是中枢神经系统最大的下行白质束，主要起自额叶的中央前回皮质。CST主要支配肢体远端的肌肉，控制骨骼肌的随意运动，特别是细微的主动运动 (Susan, 2005)，如绣花等。CST损伤造成的功能丧失可以部分恢复(Meintzschel & Ziemann, 2006; Dong, 2006)，但由于人体大脑运动功能区占位性病变的不可预知性，故无法准确追踪病情发展过程、开展实验性检查和创新性治疗以及准确选择条件相同的样本，因此，建立能够模拟人脑功能区占位性病变发病机制及病理过程和临床转归一致的动物模型是开展相关研究的前提。猕猴在进化地位、生理学、解剖学、遗传学、系统发育学等方面与人类非常相近 (Kuai et al, 2009)，且其基因组也已得到破译 (Liao & Su,2012)，是适用于大脑运动功能区占位性病变研究的模型动物。

颅内大脑运动区占位病变以压迫推挤白质纤维束所致的对侧肢体功能障碍为主要临床表现，临床以手术摘除病灶，解除压迫为目的。因此，本研究在猕猴脑运动区表面建立逐渐扩大的球型占位模型压迫推挤CST以致对侧肢体瘫痪，1周后取出球囊，模拟临床发病过程。自由水的随机扩散在不同方向上程度相同，即所谓“各向同性”，而不同组织器官中各异的水含量可导致水分子在不同方向上扩散的不一致，且这种不一致可通过计算得到客观指标并得以量化。基于此原理，无创性磁共振弥散张量成像 (diffusion tensor imaging，DTI) 技术能够在活体脑组织中显示白质纤维束的走行、排列、方向、紧密度和髓鞘化以及细胞的完整性和病理变化等 (Le et al, 2003; Eriksson et al, 2001)。在中枢神经系统中，由于轴突膜和髓鞘将阻碍水分子在垂直于神经纤维走向上的扩散，即部分“各向异性”(fractional anisotropy, FA) (Beaulieu & Allen,1994)，而脑白质纤维束总是向同一方向走行，水分子的水平方向扩散速度明显快于垂直方向。FA值的大小主要与髓鞘的完整性、纤维致密性及平行性等有关(Chenevert et al,1990)，数值在0～1之间，1为最大各向异性，0为最小各向异性。由于脑白质有大量的纤维传导束，其表面包绕的髓鞘及少突胶质细胞等将阻碍水分子的扩散， FA值升高，影像上呈高信号，说明神经传导功能越强 (Barrick & Clark,2004; Klose et al, 2004)。脑脊液呈液态，比重为1，其中水分子几乎可自由活动，FA值很低，影像上呈低信号。目前DTI研究多集中在脑梗塞、出血及肿瘤等病变与同侧脑白质区纤维束变化的关系（Yu et al, 2009)，而对大脑运动区占位性病变手术前后与健侧CST的相关性研究很少。

本研究旨在建立能够模拟临床大脑运动区占位性病变的猕猴动物模型，应用DTI探讨大脑运动区占位性病变所造成的对侧肢体运动障碍，监测手术前后病变对侧CST的FA值动态变化过程，并了解健侧CST是否也参与瘫痪肢体功能的恢复。

1 材料与方法

1.1 实验动物

健康猕猴两只，5 a龄，一号猴体重7.1 kg、二号猴体重7.8 kg，饲养于中国科学院昆明动物研究所实验动物中心，动物饲养及实验经实验动物使用和伦理委员会批准并符合AAALAC规范。

1.2 实验方法

1.2.1 猕猴大脑中央前回占位病变模型的制备及护理

实验猕猴术前禁食12 h，禁水6 h。常规肌注麻醉 (0.4 mg/kg阿托品，15 mg/kg氯胺酮，15～30 mg/kg戊巴比妥) 后俯卧位固定；猕猴立体定向头架固定头颅并保持气道通畅，根据猕猴脑定位图谱确定左侧皮质中央前回运动区为手术区域；备皮、消毒后行弧形切口，依次切开皮肤、皮下组织、帽状腱膜及骨膜，显露颅骨，钻孔两个，铣刀铣出2×3 cm2的骨窗；小心剪开1 cm硬脑膜，将未注水球囊慢慢送入硬膜下中央前回脑表面，吸取生理盐水1.5 mL，每5 min 注射0.5 mL 入球囊，注射完毕后将球囊远端结扎，严密缝合硬脑膜，回纳骨瓣，分层缝合切口；术后右侧卧位，待其自然苏醒。术后4 h，猕猴意识清醒并且活跃，给予食物及饮水。

1.2.2 猕猴运动区球囊取出术

麻醉、备皮及消毒后 (方法同前)，依次剪开切口各层组织缝线，用注射器小心缓慢抽出球囊中的水，待其收缩完全后缓慢取出球囊，仔细止血后严密缝合切口。

1.2.3 模型评价指标

麻醉苏醒后的猕猴出现对侧肢体功能障碍。参照Glasgow评分 (Teasdale & Jennett,1974), 制定功能评分表，0分：正常；1分：对侧前后肢不能完全伸直；2分：行走时向对侧 (右) 倾抖；3分：行走时身体向对侧 (右) 倾倒；4分：不能站立和自发行走，意识障碍。动物麻醉清醒后观察神经功能缺失情况，≥3分者符合研究实验条件。

MRI检查球囊位于左侧中央沟前份硬膜下，中线向右侧移位。

1.3 DTI检查

每只猕猴行四次DTI检查 (Achieva 3.0T超导核磁共振扫描仪，荷兰PHILIPS公司)。第1次：手术前1 d (Before组)；第2次：球囊置入术当天(Just组)；第3次：球囊置入术后7 d (球囊取出术前1 d (Remove组)；第4次：第一次术后14 d (球囊取出术后7 d (Recover组)。给予标准膝关节线圈扫描、磁共振MP-RAGE及DT-MRI扫描，且每次DTI序列均连续扫描 12次。采集图像数据经后处理，给予变形纠正与配准校正。

处理后每个层面获得FA值平均图，选取健侧CST为感兴趣区 (regions of interest, ROI)，测量FA值。ROI以双侧对称且小于解剖结构大小为标准，避免邻近组织的影响。

1.4 统计学方法

采用SPSS17.0统计软件进行相关统计学分析，计量资料数据以mean±SD表示， 两组间差异采用秩和检验及非参数检验，秩次方差分析方法进行统计学处理，P＜0.05差异显著。

2 结果

2.1 猕猴术后对侧肢体功能评分比较

两只猕猴术后对侧肢体均出现功能障碍 (表1，表2)，术后对侧肢体活动评分无差异 (P＞0.05)；同侧肢体功能未受影响，各时间段评分均为0分，与对侧肢体功能评分行秩和检验，P＜0.05提示术后对侧肢体活动较同侧差；球囊置入术后与取出术后对侧肢体功能评分行秩和检验，一号猴P＜0.05，二号猴P＜0.05，提示两只猕猴的对侧肢体活动功能在球囊取出术后较置入术后有所恢复。

表2 猕猴球囊取出术后对侧肢体功能评分表Table 2 Contralateral limb function in macaques after balloon removal

表3 两只猕猴四次DTI的FA值 (mean±SD)Table 3 FA values of 4 DTI on two macaques (mean±SD)

2.2 四次DTI检查手术区对侧CST的FA值统计学分析

一号猴DTI检查手术区对侧CST (图1)FA值行非参数检验秩次方差分析，可见秩次在四组间差异显著 (F=20.679，P=0.000，P＜0.05)，使用 LSD 法进行 4组间两两比较，Before组与 Just、Remove及 Recover组的比较 P值分别为 0.386、0.003及0.000；Just组与Remove、Recover组的比较P值分别为0.031、0.000；Remove组与Recover组的比较P值为 0.000。说明球囊置入术后当天，对侧 CST的FA值无明显变化，但随着时间的延长而升高，于球囊取出术后一周更为明显。

图1 一号猴球囊置入术后MRIFigure 1 Macaque 1 postoperative MRI

二号猴DTI检查手术区对侧CST (图2) FA值行非参数检验秩次方差分析，可见秩次在4组间差异显著 (F=20.815，P=0.000，P＜0.05),使用LSD法进行4组间两两比较， Before组与Just、Remove及Recover的比较P值分别为0.288、0.126及0.000；Just组与 Remove、Recover组的比较 P值分别为0.632、0.000；Remove组与Recover组的比较P值为 0.000。说明球囊置入术后当天及取出术前当天对侧CST的FA值无明显变化，但随着时间的延长明显高于正常值，与一号猴相符。

图2 二号猴球囊置入术后MRI影像Figure 2 Macaque 2 postoperative MRI

3 讨论

本研究中猕猴大脑运动区占位病变模型中的球囊注水渐进式增多，逐渐压迫大脑皮层，可较好地模拟临床过程，实验对象虽仅限于两只猕猴，但两者的临床表现、影像学和实验数据等检测指标合理可信，易于重复。由于DTI能够敏感定量分析大脑的微细结构,而且在大脑白质纤维的成像方面具有独到之处 (Tang et al,2012)，故可用于监测模型病变对侧CST动态变化过程。而FA能够量化水分子扩散的各向异性程度， FA值升高代表CST传导功能升高 (Jellison et al,2004 )，可用于评价脑白质纤维的完整程度。

实验中两只猕猴行球囊置入手术后均出现了对侧肢体偏瘫，DTI敏感观察到球囊置入手术后病变健侧CST出现代偿，短期内，即使占位解除这一作用仍明显，大脑皮质总体积 3%为神经元胞体，其余97%为轴突、树突和神经胶质等，当部分神经元死亡，功能下降时，周围存活细胞中大量的轴突可通过侧枝出芽取代损伤的轴突，重建已散失神经支配的组织的神经控制 (Fenrich et al,2007)，同时，成年动物大脑中轴突分枝非常稳定, 轴突也保留着一定程度的结构可塑性 (Rao et al,2012)。因此，神经细胞轴突代偿可导致平行于 CST走向的水分子运动增加，同时，髓鞘也可能由于代偿性改变而导致垂直于CST走向的水分子运动受限增加、自由度减少，而两者的共同作用将导致病变对侧FA值升高。球囊取出后，由于肢体功能尚未恢复，可能存在的反馈作用导致短期内健侧ROI区域FA值仍然升高，提示健侧CST出现代偿作用。Yeo et al (2010)发现一侧桥脑出血患者的对侧运动皮质代偿、参与肢体运动恢复的皮质重组，或其他相关纤维束的代偿作用，可能有助于其肢体功能恢复，支持本实验结果。

综上所述，我们认为猕猴大脑运动区占位病变健侧CST可出现代偿现象，且该现象即使在占位解除后的短期内仍然明显，提示健侧CST参与肢体功能的恢复，推测患者锻炼健侧肢体有助于患侧肢体功能的恢复。

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