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脑卒中患者手运动功能康复的功能磁共振成像研究进展

2015-01-24付桢胡楠潘翠环缪萍于瑞陈艳

中国康复理论与实践 2015年11期
关键词:运动功能脑卒中综述

付桢,胡楠,潘翠环,缪萍,于瑞,陈艳

脑卒中患者手运动功能康复的功能磁共振成像研究进展

付桢1,2,胡楠1,潘翠环1,缪萍1,于瑞1,陈艳1

[摘要]功能磁共振成像(fMRI)是一项结合功能、解剖、影像,能实时、动态、无创评价脑功能的成像技术。本文总结正常人与脑卒中患者手运动时脑fMRI特征,并从fMRI揭示脑卒中后神经可塑,评估康复疗效、预后等方面介绍fMRI在脑卒中患者手运动功能康复中的研究进展,对目前fMRI在康复评估方面所面临的难题及其未来研究方向进行讨论。

[关键词]功能磁共振成像;脑卒中;手;运动功能;康复;综述

[本文著录格式]付桢,胡楠,潘翠环,等.脑卒中患者手运动功能康复的功能磁共振成像研究进展[J].中国康复理论与实践, 2015, 21(11): 1277-1281.

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1 功能磁共振成像

功能磁共振成像(functional magneticresonanceimaging, fMRI)是一项结合功能、影像、解剖的脑成像新技术[1]。广义的fMRI包括血氧水平依赖的功能磁共振成像(bold oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)、灌注加权成像(perfusion weighted imaging, DWI)、磁共振波谱成像(magnetic resonancespectroscopy, MRS)[2]等;狭义的fMRI是指BOLD-fMRI,它通过测量局部血流变化及脱氧血红蛋白含量,得到局部功能区激活等信号,反映神经元代谢带来的脑血流改变[2],现多用于研究脑的功能状态。

fMRI具有较高的时间分辨率和空间分辨率[3],能够在无创情况下,实现实时、可重复的动态观察[1,4],具有很好的临床应用前景。fMRI是认知神经科学的重要手段,已在神经生理学,脑肿瘤手术的定位,脑部疾病的诊断[5]、发病机制、功能评估、预后等领域得到广泛应用[6],其中使用fMRI研究脑卒中患者的功能恢复是其热点之一。

约85%脑卒中患者有上肢功能损害[7],手功能的恢复较慢,康复治疗效果不佳[8]。手承担着精细、复杂的上肢运动,手功能受损严重影响患者的情绪和生活质量,研究手运动功能恢复十分重要。

当前常用的手运动功能评估方法有Fugl-Meyer评定量表中的上肢部分(Fugl-Meyer Assessment, FMA)、Wolf运动功能测试(Wolf's Motor Function Test, WMFT)、组块测试(Box & Block Text, BBT)、九孔柱测试(nine-holepeg test, NHPT)、Carroll手功能评定(Upper Extremity Function Test, UEFT)等[9-11]。这些评估方法仅能评估手的功能状态,要从中枢水平研究脑卒中后手运动功能的恢复机制,评价康复疗效,判断预后,还需依靠fMRI。

大脑皮层中支配手功能的面积明显较其他区域大,且手的运动可以在狭窄的磁共振检查空间中实现,便于实验设计[2]。综合上述因素,手运动在当前fMRI研究中最为普遍。

在脑卒中患者手运动功能的fMRI研究中,常为受试者设计不同的手运动任务,常用测量指标包括感兴趣区(region of interest, ROI)的激活位置、形态、范围及出现频率[12-13]等非定量指标;ROI的激活体积以及由其衍生出的偏侧化指数(laterality index, LI)[14]、时间-信号强度曲线[3]等定量指标。而fMRI的结果受手运动的复杂程度、频率、强度,参与研究者的年龄、优势手等多种因素影响[1],当前的研究主要针对受试者完成了哪些刺激任务,激活了哪些区域,测量了哪些指标,验证了哪些结论来探索手运动的中枢机制。

2 健康人手运动的fMRI表现

人的随意运动包括运动准备、运动执行,分别受初级运动区和次级运动区支配[15]。健康人手运动的准备中枢位于初级运动区(primary motor cortex, M1),即中央前回(Boadman 4区),在矢状面呈“Ω”形,横断面呈“W”形,又称手结[16-17]。执行中枢为次级运动区,包括辅助运动区(supplementary motor area, SMA)、辅助运动前区、运动前区(pre- motor cortex, PMC)、扣带回运动区(cingulatemotor area, CMA)、顶叶区(parietal cortex, PC)、小脑[15,18]等,这些区域主要参与复杂运动的执行,是对M1区的补充[19]。

简单运动(如对指运动)时,双侧M1区均被激活,以对侧激活为主[6,20-22],还包括双侧SMA和同侧小脑激活[20,23]。随着运动难度加大,参与运动的区域增多[24-25],双侧感觉运动区(primary sensorimotor cortex, SM1)也被激活,以对侧激活为主;此外,双侧SMA、PMC,对侧顶上小叶,同侧小脑也有激活[20-21],可能与记忆、手协调等有关。想象运动时,主要为SMA、PMC激活[26],SM1的激活小于简单运动和随意运动,且表现为双侧激活。此外还有双侧小脑、顶叶功能的激活,表明这些脑区与高级神经活动关系密切[20]。主动运动与被动运动所激活的脑区一致[13,27]。

脑的激活并不对称[28]。虽然上述手的运动均会激活双侧脑,但以对侧激活为主[22]。右利手者,左手简单运动时的左脑激活体积大于右手运动时的右脑激活体积;左利手者,左右手运动时对应的同侧脑的激活体积无差异[29]。

3 脑卒中患者手运动的fMRI表现

由于脑卒中患者的基础情况,卒中类型,受损部位、大小,治疗方案等不同,手功能异常表现多样,手运动时fMRI也呈多样性改变。

脑卒中后运动功能恢复过程实际上是大脑功能重塑的过程。脑可塑性的微观机制包括损伤部位的树突发芽、轴突再生、细胞迁移[2];宏观机制为次级运动区的代偿、损伤周围区域的重构、病灶对侧至病灶侧半球的同侧运动通路建立、损伤皮质脊髓束的恢复[30],其中皮层水平的代偿表现为周围皮层重构[31],新的皮层间连接模式形成,包括代偿区或之前并无直接联系的区域间新连接模式形成[2]。在fMRI上可有特征性表现。

脑卒中患者手运动(全手抓握或手指运动)时,fMRI通常的改变为:①次级运动区的过度激活;②初级运动区和次级运动区中代表躯体的分布改变[32]。脑卒中急性期,多为双侧脑广泛激活,随后以同侧(未损伤侧)脑区激活为主,最终恢复至对侧(病灶侧)脑区激活为主[13]。

Ward等发现,手运动功能障碍越重的脑卒中患者,手握拳时对侧M1、双侧次级运动区(如PM、SMA,CMA)的激活越多[33]。随后Ward等又结合经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)发现,运动功能越差的患者,皮质脊髓束损伤越严重,手握拳时次级运动区的募集越大,次级运动区支配的运动功能越多[34]。这反映了皮质间的代偿功能。

正常人双侧大脑半球受胼胝体介导的相互抑制作用共同支配运动,且以对侧支配为主。脑卒中后这种抑制作用减弱,同侧运动通路被易化[35]。目前已有研究通过TMS和fMRI观察到,患者PMC受到同侧SM1的易化[36]和对侧M1的抑制[37-38],并通过抑制对侧M1区的兴奋暂时提高运动功能[39-41]。这些研究验证新通路的形成。但目前同侧运动通路是否有利于患者功能恢复还存在争议[42-43],抑制同侧M1区提高运动功能的方法是否适用于所有类型的脑卒中患者还有待探索[44]。

fMRI结合MRI结构相观察到慢性脑卒中患者病灶侧SM1的激活增加和皮质增厚[45],结合DTI发现全脑白质的完整性增加[46]。使用静息态fMRI发现脑各功能区间的联系发生变化,运动执行网络发生适应性重构[47]。

通过fMRI观察到的变化和功能究竟存在怎样的关系,还需结合康复训练过程中患者的功能变化来纵向观察。

4 fMRI在脑卒中患者手运动功能康复中的应用

康复的目标是促进功能恢复。大脑功能区的激活模式能够反映运动功能变化[48]。

PMC发出网状脊髓束[49],支配近端肢体的运动[50-52],在脑卒中后手运动功能的恢复中起到重要作用。

在皮层间的重塑上,PMC可代偿M1的运动控制功能。正常人的肌力受M1区和内侧运动区支配[53],皮质脊髓束受损严重的患者,肌力差,协同运动明显,病灶侧PMC激活增加[52,54],并发挥类似M1的运动输出作用,进行新的运动控制。随着患者握力增加,PMC的激活增强[55]。

在半球间的重塑上,PMC也发挥了关键作用。静息状态下,功能较好的患者同侧PMC受对侧PMC的抑制较大;功能障碍严重的患者,抑制作用减弱或兴奋作用增强,同侧运动通路更显著[36]。急性脑卒中患者患手运动功能越好,患手做被动对指运动时LI越大,即以对侧脑激活为主;健手被动对指运动的脑激活情况与健康人无差别[56]。

其他次级运动区,如SMA、CMA也参与皮质脊髓束的组成,在运动恢复中起重要作用。小脑参与运动的学习,同侧小脑的激活体积增加也与手运动功能的恢复密切相关[18]。

最近兴起的使用静息态fMRI对脑各区间联系的研究认为,脑卒中后,功能区之间的功能联系发生改变,联系特征随时间的变化而变化,且与患者功能相关[47,57]。但何种联系参数对应何种特征性功能改变还有待进一步明确。

研究大脑功能可塑性能更有效地指导康复治疗方案的设计。只有特定任务训练可促进有利的神经功能重塑[48]。目前已有大量研究,通过观察训练前后fMRI的变化,评价康复疗效[10-11,58-60]。

Carey等在对脑卒中患者进行强化手指康复训练后,患者手指功能得到改善;患手对指运动时,由同侧SMC、M1、初级感觉皮质(primary sensory cortex, S1)和PMC为主的激活模式,转化为以对侧激活为主[58]。胡昔权等观察到,经过4周康复训练后,治疗组患手运动功能增加;患侧腕关节在被动屈伸运动时,对侧M1区较治疗前激活体积更大、强度更高,而未经康复训练的对照组功能改变和中枢改变均不明显[59]。

毕胜等观察到,患者在接受2周强制性使用运动疗法后,患侧上肢功能得到改善;患手对指运动时,双侧大脑较训练前激活泛化;健手运动时,双侧脑较训练前激活面积减小;治疗结束后2周,患手的运动功能未见下降,而患手运动时的脑激活区范围减小,健手恢复至治疗前状态[10]。这说明脑卒中患者功能重构是一个动态变化的过程[61],这种变化随着刺激的变化而变化,与运动功能不一定平行,且为一过性改变[10]。进一步研究需要增加更多定量数据来反映功能重构的变化情况。

Caria等发现,行脑机接口(brain-computer interfaces, BCI)训练后,脑卒中患者脑激活范围缩小,且出现更多的次级运动区激活[60];刘小燮观察到脑卒中患者行BCI训练后,脑功能区激活范围扩大[11]。上述两个研究中,患者上肢功能均有提高。这说明参与运动的脑区大小与功能恢复的关系尚不明确,但可以肯定脑卒中后的神经重塑是一个多样的过程,尚没有哪种激活模式可完整地预测患者功能[61];更趋于正常的激活模式,运动功能恢复更佳[62]。

能否通过fMRI来预测脑卒中患者手运动功能预后是临床常遇到的问题。理论上,fMRI可实时反映脑功能状态,因而可以预测脑卒中患者的预后,而实际应用中却遇到很多问题。这些问题主要包括[2,48]正常脑的复杂性、脑激活模式的复杂性、实验设计的多样性对结果的影响。

有研究显示,发病时皮层激活程度代表幸存皮层投入运动的情况,发病时运动皮层激活减弱与治疗后皮层激活增加相关,因此发病时的fMRI可用于预测患者的临床转归[63]。特定激活模式可预测3个月内的临床变化[64-65]。但也有研究认为,起始的LI不能预测脑卒中患者的功能状态,而激活模式的变化能力可预测卒中后功能[48]。

可以肯定的是,仅仅使用fMRI来预测脑卒中患者手功能的预后是不够的,还需结合MRI结构相、DTI、正电子发射断层(PET)、TMS等其他脑成像技术[2]或者脑电图[66-67],结合临床指标及患者情况,选择不同时间点,综合评估患者预后。

5 展望

随着脑卒中发病人群的年轻化、患病率的上升和死亡率的下降[68-69],脑卒中康复越来越受重视。手功能恢复较身体其他部位慢且困难[8],是目前脑卒中康复所面临的一大难题。针对脑卒中后手功能的康复手段较多[70],但无统一的标准[71]。fMRI为脑卒中患者手功能康复提供了新思路,可揭示脑卒中患者功能变化规律,指导康复训练。

随着研究的进展,有可能通过fMRI对脑卒中患者进行更为全面评估和相对准确的预后判断。但由于人脑的复杂性、fMRI重复性和信度未证实、运动形式受限,使得当前脑卒中手运动功能的fMRI特征多种多样。

未来关于fMRI与手运动康复的研究应严格控制干扰因素,设计任务相关的刺激模式,尽量选择敏感、定量、信效度高的评估指标[47],并结合多种脑成像技术以及临床指标,共同揭示卒中后手功能的康复机制。

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·综述·

作者单位:1.广州医科大学附属第二医院康复医学科,广东广州市510260;2.广州医科大学康复治疗学系,广东广州市511436。作者简介:付桢(1990-),男,汉族,河南洛阳市人,硕士研究生,主要研究方向:脑卒中后的手功能康复。通讯作者:潘翠环,女,教授、主任医师。E-mail: pancuihuan@126.com。

Advanceof Functional MagneticResonanceImagingin Motor Functionof Handin Patientswith Stroke(review)

FU Zhen1,2, HU Nan1, PANCui-huan1, MIAOPing1, YU Rui1, CHENYan1
1. The Rehabilitation Department, Second Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou, Guangdong 510260, China; 2. Department of Rehabilitation, Guangzhou Medical University, Guangzhou, Guangdong 511436, China

Abstract:Functional magnetic resonance imaging (fMRI), a newly developing technique, contains function, anatomy and image, which makesthereal-time, dynamic and non-invasivemeasurement of thefunctional brain imaging availability. Thispaper summarized the characteristics of fMRI in health and stroke populations, introduced the advances of fMRI in neuroplasticity, rehabilitation assessment and prognosis in hand movement dysfunction in patients with stroke, and discussed the difficulty fMRI faced in rehabilitation assessment and thefurther researches.

Keywords:functional magneticresonanceimaging; stroke; hand; motor function; rehabilitation; review

(收稿日期:2015-08-06修回日期:2015-10-12)

基金项目:2014年广东省研究生教育创新计划立项项目。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9771.2015.11.009

[中图分类号]R743.3

[文献标识码]A

[文章编号]1006-9771(2015)11-1277-05

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