功能磁共振研究卒中后肢体运动功能重塑机制

李代顺 综述，余 茜 审校

(1.泸州医学院，四川 泸州 646000；2.四川省医学科学院·四川省人民医院康复科，四川 成都 610072)

功能磁共振研究卒中后肢体运动功能重塑机制

李代顺1综述，余 茜2审校

(1.泸州医学院，四川 泸州 646000；2.四川省医学科学院·四川省人民医院康复科，四川 成都 610072)

脑卒中造成病灶对侧肢体运动功能障碍的恢复与脑可塑性和功能重组有关。在运动功能恢复过程中，大脑皮质有广泛区域参与神经重塑过程。血氧水平依赖功能磁共振成像对于脑卒中后运动功能恢复与脑功能重组之间关系的研究提供了有效平台。

脑功能重塑；功能磁共振；脑卒中；运动功能；神经康复

目前对卒中急性期的管理不断改善，卒中单元对该病进行跨学科综合治疗[1]，但是卒中仍然是世界范围内残疾的主要原因[2]。卒中导致大量神经功能受损，其中最常见的就是病灶对侧肢体运动功能障碍，尤其是手部运动功能障碍，重度致残者约占10%以上[3]。研究表明卒中后运动功能恢复与神经重塑有关，通过早期、系统以及有效的康复治疗，可以改善患者日常生活自理水平。进一步明确大脑重塑机制对于选择有效的康复治疗方法有重要作用。评估神经重塑比较有效的技术为血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygen level depended-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)，即通常所指的fMRI。

1 血氧水平依赖fMRI

BOLD-fMRI成像机制是：在刺激作用下，随着神经活动的增加，局部脑血流量也在增加，但是运输到该组织的大量氧气只有小部分被组织利用。因此，局部组织血管床的氧合血红蛋白增加，而具有顺磁性的脱氧血红蛋白减少。血红蛋白的磁性取决于其氧合程度，因此局部脑组织氧合血红蛋白浓度相对于去氧血红蛋白较多的情况下，T2*加权信号增加，使得脑功能活动区表现为高信号[4]。对有脑血管疾病患者使用fMRI研究神经活动需要考虑到患者受损的脑血管仍有狭窄或狭窄程度在加重，这会导致BOLD信号减弱甚至出现阴性[5]，这是研究卒中患者假阴性结果出现的主要问题[6]。BOLD-fMRI具有非侵入性、安全性好、良好的时空分辨率和以自身血液中脱氧血红蛋白浓度变化作为对比剂显像的特点，是研究大脑功能重塑机制的重要工具。

2 BOLD-fMRI用于卒中后运动功能重组研究

卒中后残损的大脑具有可塑性，能在结构和功能上修改自身以适应改变了的环境，是一个动态改变的过程[7]。BOLD-fMRI可对可塑性变化的表现形式，即卒中后脑运动功能区的存在、范围以及代偿、功能移位、重现的变化过程进行准确定位并在此基础上定量测定，以直观了解大脑的功能重组。

2.1 BOLD-fMRI评定运动功能重组的指标 BOLD-fMRI常用以下指标来评价运动功能重组：① MNI(montreal neurological institute)可用来计量有意义激活区域中激活体素集中的坐标位置转变，反映功能移位。②使用后处理软件功能性神经成像分析(analysis of functional neuroimaging，AFNI)或统计参数图(statistical parametric mapping，SPM)对激活区体积进行初步定量并相互比较。③偏侧指数(laterality index，LI)是一个简单的大脑间功能平衡指数。Cramer等首次[8]将LI作为功能影像学研究卒中恢复的定量测定方法，偏侧指数的计算公式：LI=(C-I)/(C+I)，C代表患手对侧脑区激活体积，I代表患手同侧脑区激活体积，因此偏侧指数值的范围是(-1，+1)。

2.2 脑区激活 根据受损部位的不同可分为皮质区梗死和皮质下梗死，两者初级感觉运动皮层(primary sensorimotor cortex，SM1)激活坐标位置都向后移，两者有一定区别，皮质区梗死还表现为病灶周围激活及次级运动区(secondary motor areas，M2)区激活，而皮质下梗死少数患者M2区激活断续出现[9]。偏瘫的发生是由于皮质脊髓束传递到运动神经元的信号受损[10]，皮质脊髓束主要来自对侧M1区，因此M1区或与M1区连接的神经纤维受损严重，则投射到对侧上肢的运动纤维传递信号大量减少，出现双侧大脑半球广泛脑区激活。少部分皮质脊髓束来自运动前区(the premotor area，PM)、辅助运动区(the supplementary motor area，SMA)、扣带回运动区(cingulate motor areas，CMA)，这些脑区合称为M2区[11]，健侧半球M1区可以看作运动系统的另一种M2区。部分非运动区与运动功能恢复有关，但是没有直接投射纤维到肢体，包括额前皮质(prefrontal cortex，PF)、顶叶皮层(parietal cortex，PT)和CMA区、岛叶等脑区。卒中后除了这些脑区会出现激活外，还有躯体感觉运动区，小脑半球等也被激活。

2.2.1 病灶侧M1区部分受损 M1区投射到对侧肢体的运动神经元占主要部分，M1区部分受损时，大脑将试图使用残损组织完成功能重组以促进运动功能最大程度恢复。受损M1区周围激活位置变化和功能恢复密切相关。Dong[12]等对4个M1区部分受损的卒中患者研究表明，运动障碍严重的2个患者在行强制性运动疗法(constraint-induced movement therapy，CIMT)治疗前，受损M1区周围激活坐标位置向背侧转变，这表明受损的M1区周围新增手指运动代表区出现；在经短时间CIMT治疗后功能改善不是很明显，但是在经过6个月和12个月的治疗后，未受损M1区中心激活区不断接近正常人激活模式并且激活区体积减少，这两个患者的运动功能得到了显著提高，因此得出这样一种观点，患侧半球M1区激活的减少可以解释为突触效率的提高，尤其在恢复早期运动区的激活比正常人的激活明显的患者[13]。这表明M1区有多个手运动代表区分散在不同位置，损伤这些代表区的其中一个会引起另一些代表区替换受损区的功能。

2.2.2 健侧半球M1区激活 解剖研究表明，健侧半球M1区投射到躯干和肢体近心端的纤维支配控制稳定平衡的肌肉，而不是远心端的手部肌肉。虽然健侧半球M1区投射到患肢远端肌肉的神经纤维很少，但是健侧半球M1区在运动功能恢复过程中具有一定作用。Calautti 等[14]研究结果显示，肢体运动情况越差，则初级感觉皮层(primary sensory cortex，S1)、M1区LI值越低，即运动情况差的患者脑区激活主要在健侧半球的S1、M1区，而运动行为障碍程度和SMA、PM的LI值无相关性，因此认为运动功能恢复程度取决于S1区、M1区的LI值。Rehme等[15]对11个卒中后早期受损严重患者使用fMRI研究表明，健侧半球M1区激活逐渐增加与严重受损患者功能恢复出现相关。但是健侧半球M1区激活的作用目前存在争议，研究表明，皮层下损伤较轻的卒中患者试图自主使用患手活动时，健侧半球M1区可能通过异常的高度脑间抑制作用于患侧M1区，阻碍运动功能的恢复[16]。

健侧半球M1区激活的解释有两种，其一认为运动功能恢复差的患者需要更多努力完成任务，因此需要更多与运动相关脑区参与[17]；另一种解释是单侧皮质区梗死范围较大，致两半球间传递相互抑制信息的胼胝体中断[18]，因此损伤侧半球不能传递抑制信息到健侧半球M1区。

2.2.3 M2区激活 Ward等[19]研究表明，在皮质脊髓束严重受损后，双侧半球M2区大量增加参与执行运动任务，对于皮质脊髓束受损较大的患者，健侧半球M1区参与激活较少，即皮质脊髓束受损越大，则运动系统激活形式将从正常的M1区转向M2区。由于手活动代表区在大脑的M1区，PM区和SMA区投射到脊髓核神经元的纤维是单独分开投射的，因此可以得出M1区受损后M2区的代偿模型：由于执行运动任务过程需要大量的运动网络共同参与产生输出信号到脊髓核，运动网络的M1区受损害可能由M2区在一定程度上部分代偿受损功能[20]。M2区的功能重启并不能完全替代M1区的功能，但是这些新增激活区域可能代表了任何功能恢复的出现，如Lotze等[21]对14个皮质下卒中慢性期患者研究表明皮质脊髓束受损越严重，健侧半球M2区的激活增加可能有利于运动功能重组。

2.2.4 其他非运动区的激活 卒中后早期可出现PF、PT、CMA等非运动脑区激活，参与认知补偿策略，随着运动功能恢复，在中晚期就不再依赖这种策略。Ward[22]等对卒中早期和晚期的患者脑区激活进行比较发现，卒中后早期需要更多与注意力有关脑区参与，而在卒中后晚期这些脑区激活不明显。因此他提出首次卒中后具有较大运动障碍的患者，在早期需要更多与注意力有关脑区参加，而在晚期更多的是需要提高任务的难度才有利于运动行为改善。其他研究也有类似结果[23]。非运动区的激活可能与患者完成运动任务需要更多的努力，从而引起更多脑区参与有关。

3 BOLD-fMRI研究运动功能重组存在的问题与展望

BOLD-fMRI用于研究卒中后运动功能重组存在一些不足之处。首先，由于个体大脑皮层的沟、回等变异较大，这对研究结果的解释会有差异；其次，在研究对象方面，许多文献研究的是脑卒中后运动功能恢复较好的患者，但对于功能恢复较差的患者报道较少，这不利于我们获得更多大脑激活区域的信息；再次，在入选标准方面要求严格，大大缩小了患者样本量，因此在将研究结果一般化时应当谨慎；还有，影响BOLD-fMRI激活图像结果的因素有很多，由于BOLD效应对于运动任务刺激敏感，任务难度不一或者刺激任务不同会造成成像结果的差异；运动伪影、静脉效应以及干预血管的药物因素也会引起结果解释的困难。

虽然存在以上不足，但是BOLD-fMRI技术也有改进，如Bendlin等[24]使用咖啡因药物来增强BOLD信号强度以及敏感性。BOLD-fMRI对于患者运动功能区以及相关非运动功能区参与运动过程激活做一定描述，但对于患者而言关键是有效的康复治疗。相信随着BOLD-fMRI相关技术的不断改进，该技术在运动功能重组机制中的研究将会越来越重要，并找到更加有效的康复治疗方法改善患者运动功能。

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Functional MRI study of the mechanism of limbs motor recovery after stroke

LI Dai-shun，YU Qian

R445.2；R496

B

1672-6170(2015)01-0173-03

2014-10-14；

2014-11-18)