利用静息态功能磁共振研究文拉法辛对健康成人的运动皮质的影响

2018-10-12黎春镛李映凯罗高权王伶杰刘雷媛

中风与神经疾病杂志 2018年9期

黎春镛，李映凯，罗高权，王伶杰，刘雷媛，王俊，刘雁

目前越来越多的研究证明了单胺类神经递质，包括五羟色胺、去甲肾上腺素等，可调节脑神经可塑性，促进脑损伤后运动功能的恢复[1]。去甲肾上腺素通过提高皮质的的兴奋性，能促进脑功能重组，已被非诺唑酮、利地林等安非他命样药物证实[2，3]。而选择性五羟色胺重摄取抑制剂(selective serotonine reuptake inhibitors，SSRIs)如氟西汀、帕罗西汀等，作为五羟色胺模拟剂，同样对大脑的运动皮质起到激活的作用，通过调节脑功能重组，使大脑运动皮质的输出激活重新分布[4，5]。文拉法辛胶囊是五羟色胺和去甲肾上腺素重摄取抑制剂(serotonin and noradrenaline reuptake inhibitor，SNRI)，具有五羟色胺和去甲肾上腺素双重模拟作用，该药作用较单一的五羟色胺重摄取抑制药物疗效更显著，起效时间更迅速，而副作用较单一的去甲肾上腺素重摄取抑制药物的副作用少，有望在脑功能重塑方面发挥更大的作用。动物实验研究表明，文拉法辛通过调节神经递质的释放，影响脑运动皮质区的调节网络的基因表达，从而改善脑功能重构和脑的可塑性，促脑损伤后进脑组织的修复[6]。在脑卒中动物模型中，文拉法辛还进一步被证明可减少脑损伤的面积，促进损伤的运动功能的修复，在脑卒中急性期或恢复期起到神经保护作用[7]。而我们利用任务态的功能磁共振研究，已经证实文拉法辛可调节健康成人运动及语言功能的重塑，改善康健成人的运动及语言功能[8，9]。

静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI) 是目前研究人脑的高级活动情况的一种有效手段。低频振荡振幅(amplitude of low frequency fluctuation，ALFF)通过直接观察脑部功能活动血氧依赖水平(blood oxygenation level dependent，BOLD)信号基线变化的幅度以了解脑部神经元的自发活动[10]，是常用的一种静息态研究方法。本研究采用ALFF方法，了解文拉法辛对健康成人运动皮质区自发神经活动的影响，探讨该药对健康成人运动功能的调节作用，为下一步研究文拉法辛对脑损伤后运动功能的康复治疗提供了理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究对象的入组标准和排除标准所有研究对象来自当地招募的汉族健康成年男性志愿者。他们满足以下的入组标准：高中毕业以上文化，年龄>18岁；根据爱丁堡利手检查(Edinburgh Handedness Questionnaire)判定为右利手[11]；同意配合检查并已签署知情同意书。同时受试者满足以下排除标准时不能入组：(1)既往有明显累及肢体运动功能的中枢神经系统及非神经系统疾患；(2)癫痫及精神病病史或家族史；(3)简易精神状况量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)[12]评分>27分；(4)汉密顿抑郁量表评分>14分；汉密顿焦虑量表评分>7分；(5)对抗抑郁药物存在过敏反应；(6)有功能磁共振检查禁忌症；(7)不能配合检查者。

1.2 试验设计本试验按随机、双盲的自身交叉安慰剂对照试验设计。所有入选受试者按照随机原则，分入组A和组B两个给药顺序组，随机号码由临床药理实验基地保存并保密。组A受试者先服用文拉法辛胶囊1粒，1次/d(每片含文拉法新75 mg，Wyeth制药)，连续服用7 d，然后停用3 d，接着服用7 d的安慰剂1粒，1次/d；组B受试者的服药顺序与组A的相反，组B受试者先服用7 d的安慰剂，停用3 d后接着服用7 d的文拉法辛胶囊(见图1)。每个受试者均有自己的自身对照，两组间保持基本均衡以避免顺序效应。同时将7 d文拉法辛的给药周期(即组A服文拉法辛+组B服文拉法辛)称文拉法辛阶段，将7 d安慰剂的给药周期(即组A服安慰剂+组B服安慰剂)称安慰剂阶段。安慰剂和文拉法辛胶囊由医院一名独立的药师准备和分发，研究者和受试者均处于双盲状态。实验完成后，研究者被通知受试者所在的组别。每个受试者均在试验开始前、7 d和18 d分别进行双手握力计检查、手指轻扣实验检查及静息态功能磁共振、任务态功能磁共振、经颅磁刺激等检查。每个受试者在试验期间每天均监测血压和心率变化，在实验期的7 d和18 d抽出血药浓度。文拉法辛胶囊及安慰剂均由美国Wyeth制药公司无偿赠送。本研究得到医院伦理委员会同意，所有入选受试者均签署知情同意书。

图1 研究设计的流程图

1.3 临床评估每个受试者在给予药物干预前，及服用文拉法辛胶囊、安慰剂7 d后，进行手握力实验和手指轻叩实验的检测。测量手的握力用握力计，单位是kg，测量者可以将手臂摆在任何位置，但不能让手臂或仪器接触身体，肘关节可以屈曲或伸直，只要测量者能尽可能得到最大的握力。手指轻叩实验主要测量食指在10 s内尽可能快地叩击鼠标的叩击次数[13]。

1.4 静息态功能磁共振图像采集应用Siemens Sonata 1.5 T超导型磁共振仪，梯度场40 mT/m，切换率200 mT/(m·ms)，使用标准头部线圈射频，扫描时告知受试者放松、闭上眼睛，保持头不要动，尽量不要思考，避免睡着。扫描过程中被试戴防噪音耳机并用海绵垫子固定头部，待被试适应扫描室内部环境后开始扫描实验。首先对被试者的头部进行轴位T1WI扫描，参数为：TR(重复时间)683 ms，TE(回波时间)11 ms，FOV(视野)230 mm，矩阵192×144，层厚4 mm，层间距1 mm，共28层，范围包括全脑。然后采集被试者在休息状态的BOLD信号，采用的是梯度回波结合单次激发回波平面成像技术(echo planar imaging，EPI)。参数为：TR 2000 ms，TE 49 ms，FOV 210 mm，矩阵64×64，层厚4 mm，层间距1 mm，扫描层面与T1WI相同。扫描时间为480 s。

1.5 统计学分析

1.5.1 对运动行为学统计分析采用SPSS23.0统计分析软件(IBM SPSS Inc.，Chicago，USA)，计量数据的统计学描述用均数±标准差表示，对运动行为学评估数据，在统计推断前先用正态分布的Shapiro-wilk法及Levene检验了解是否符合正态分布和方差是否相等，进一步采用二阶段交叉方差分析检测药物效应及阶段效应，P<0.05认为差异有统计学意义。

1.5.2 fMRI数据分析在Matlab11a操作平台下应用SPM8软件进行MR数据统计学分析，使用DPABI分析软件[14]预处理和计算全脑体素的ALFF值，利用SPM8软件将ALFF所得到的图进行双样本t检验来比较文拉法辛阶段与安慰剂阶段之间的差异(P<0.01，FDR，Ke≥10)。

1.5.3 相关性分析采用SPSS 23.0对运动皮质区ALFF的差值与运动功能评估相关性分析做皮尔森相关性分析。首先把文拉法辛阶段与安慰阶段两组之间双样本t检验得到的有显著差异的脑区制作成mask，然后提取每个文拉法辛组受试者对应mask脑区的ALFF值并作平均，最后利用皮尔森相关分析来计算所有文拉法辛组受试者差异脑区的平均ALFF值和运动功能的相关系数(P<0.05)。

2 结果

2.1 临床数据结果共有8例男性志愿者入选，年龄18～36岁，平均(26.6±4.2)岁。其中，组A受试者4例，平均年龄(27.00±4.08)岁，平均体质量(70.5±9.88) kg，平均身高(172.25±4.86) cm；组B受试者4例，平均年龄(33.25±11.03)岁，平均体质量(72.00±13.66) kg，平均身高(177.50±3.32) cm。两组受试者间年龄、平均体质量、平均身高等各项评分均无显著性差异(双样本t检验，P>0.05)。8例受试者都完成了整个实验过程，在整个实验过程中，受试者未见明显不良反应。血药浓度结果表明文拉法辛阶段血药浓度(18.60±5.83) ng/ml，安慰剂阶段<0.5 ng/ml。

2.2 行为评估

2.2.1 食指轻叩试验左手在文拉法辛阶段平均执行(51.67±3.09)次/10 s，较服用安慰剂阶段(46.12±3.50)次/10 s存在显著性差异(n=8，F=57.69，P<0.001)；右手在文拉法辛阶段平均执行(61.08±6.83)次/10 s，较安慰剂阶段(56.71±6.96)次/10 s存在显著性差异(n=8，F=184.48，P<0.001)。提示文拉法辛较安慰剂能显著改善受试者食指轻叩的执行能力(见表1)。

2.2.2 手握力检查左手文拉法辛阶段平均握力为(47.60±3.06) kg，与安慰剂阶段(47.21±3.12) kg比较，没有显著性差异(n=8，F=1.60，P>0.05)；右手文拉法辛阶段平均握力为(52.54±3.35) kg，与安慰剂阶段(51.91±3.29) kg比较，没有显著性差异(n=8，F=2.63，P>0.05)。提示文拉法辛较安慰剂未能明显改善受试者手握力(见表1)。

2.3 功能磁共振结果

2.3.1 ALFF分析结果文拉法辛阶段与安慰剂阶段全脑ALFF值差异比较：文拉法辛阶段双侧大脑半球S1M1、SMA、双侧顶叶皮质比安慰剂阶段高，均有显著地统计学差异(P<0.01，FDR，Ke≥10) (见表2、图2)。

2.3.2 受试者S1M1脑区ALFF 值与运动功能评估相关性分析受试者在S1M1脑区的ALFF值的增高(T值的delta值=文拉法辛-安慰剂)，与食指轻叩实验中的药物改善效果(食指叩击次数的delta值=文拉法辛-安慰剂)存在一显著的正相关(person相关，r=0.88，P<0.002)(见图3)。

表1 各组受试者上肢远端功能的行为测试结果

注：(1)文拉法辛阶段左手及右手食指轻叩试验检查结果较安慰剂阶段均有显著性差异(P左手<0.001；P右手<0.001)；(2)文拉法辛阶段左手及右手握力与服安慰剂阶段比较，没有发现两组间存在显著性差异(P左手>0.05，P右手>0.05)；(3)*与服安慰剂阶段比较P<0.001

表2 文拉法辛阶段与安慰剂阶段全脑ALFF值差异比较的范围和强度

注：a：表示左侧脑区；b：表示右侧脑区。该表是经t检验后(P<0.01，FDR，Ke≥10)群组内及群组间的统计信息用xjview分析处理软件进行定位，而得出感兴趣区的中心坐标(MiNi坐标)、激活强度(T值)一览表

图2 ALFF分析结果图：文拉法辛阶段与安慰剂阶段全脑ALFF值差异比较，红色代表文拉法辛阶段比安慰剂阶段脑活动高(P<0.01，FDR，Ke≥10)

图3 在文拉法辛作用下，左侧S1M1脑区ALFF值改变与右手食指轻叩试验执行能力的改善呈正相关。横坐标：右手食指轻叩平均执行次数在文拉法辛和安慰剂之间的差值(食指叩击执行次数的delta值；10 s内叩击次数的平均值)。纵坐标：受试者左侧S1M1脑区的ALFF最大T值在文拉法辛和安慰剂之间的差值(T值的delta值)

3 讨论

在本研究中，健康成年男性受试者每天服用75 mg的文拉法辛胶囊7 d后，与服用安慰剂7 d后比较，能显著改善食指轻叩试验的执行能力，同时能诱发大脑运动感觉皮质、辅助运动区的ALFF值升高。ALFF值的升高与食指轻叩实验的执行能力改善存在正相关。

3.1 文拉法辛与脑可塑性的分子机制脑的可塑性(neuroplasticity)最早由Bethe首先提出，是指大脑为适应环境变化而调整自身性质的能力，它的机制涉及神经细胞轴突的再生、突触的可塑性、功能重组等，与脑损伤后神经功能修复密切相关[15，16]。目前的研究证据表明，脑损伤后可通过改变脑内神经递质的水平，引起突触功能的调整等，成为脑功能重组的基础[17，18]。五羟色胺作为脑内重要的神经递质，可影响脑源性神经营养因子(Brain-derived Neurotrophin factor，BDNF)的生成[19，20]，而BDNF是脑内最丰富及被最广泛证明的促进脑功能重组的神经营养因子，五羟色胺可有力上调BDNF的信号表达，可能是五羟色胺影响脑功能重组的关键机制[21～23]。SSRIs可以抑制突触对五羟色胺的再摄取，从而全面提高脑内的五羟色胺浓度，成为五羟色胺良好的模拟剂。之前的研究表明，SSRIs对脑损伤后运动功能的康复起到积极的作用[24～27]。

文拉法辛属于五羟色胺和去甲肾上腺素双重抑制剂(Serotonin- norepinephrine reuptake inhibitor，SNRI)类药物，是一种新型双重单胺作用的抗抑郁药，该药对五羟色胺和去甲肾上腺素神经元突触终端剂胞体-树突的自身受体和异质性受体具有一定的抑制作用，从而增加了突触后五羟色胺和去甲肾上腺素的释放和加快突触前膜自身受体的“脱敏”过程，故该药的作用较单一的SSRIs药物疗效更显著，且起效时间更迅速。文拉法辛对大脑功能的影响与其提高五羟色胺和去甲肾上腺素在中枢神经系统内浓度的作用有关[28]。近期的研究表明，文拉法辛通过影响大脑皮质的调节网络的基因表达，改善脑功能重组和脑的可塑性[6]。文拉法辛通过促进脑的可塑性，可改善亨特氏病、帕金森病及脑卒中后损伤的神经功能的修复[29～31]。

3.2 文拉法辛与大脑运动功能的激活动物研究表明，去甲肾上腺素在促进运动功能恢复中起着重要的作用[32]。Loubinoux等利用任务态的功能磁共振研究发现，增加五羟色胺能神经传递的SSRIs类药物不但能调节健康受试者的大脑运动活性，使健康个体的初级感觉运动皮质激活增加[33]，而且能调节脑卒中后患者的大脑运动功能的激活，促进神经功能的修复[34]。我们利用任务态的功能磁共振也发现，文拉法辛作为增加去甲肾上腺素及五羟色胺能神经递质药物，可引出健康成人初级感觉运动区及辅助运动区的激活增强及双侧顶叶皮质的激活减弱，通过调节运动量的输出，调节激活整个运动通道[9]。这进一步证实了单胺类神经递质在运动方面的促进作用。

和传统的任务态fMRI 不同，最近发展的rs-fMRI技术无需执行特定的任务就能用于检测受试者运动功能的情况，ALFF作为rs-fMRI技术的一种，可用于检测区域BOLD 信号自发波动的强度，从能量角度直接地反映大脑各区域在静息状态下自发活动水平的高低，能够显著的反映自主神经活动水平的程度，能准确地反映脑基线活动的情况[35]。当脑区活动增强时，ALFF值相应增高；脑区活动减弱时，ALFF值相应降低。本研究发现文拉法辛阶段的静息态脑活动强度在双侧初级运动区、双侧辅助运动区及双侧顶叶区域比安慰剂组高，提示以上脑区在基线状态下神经元自发活动性的升高，这些区域的功能活动增强可能是反映皮质的可塑性或者神经元活动的增加重新协调皮质功能[36]。而在我们任务态的功能磁共振研究中也发现文拉法辛可引起初级运动皮质区、辅助运动区的激活增加及双侧顶叶激活减弱[9]，任务态的这些改变可能和静息态神经元活动水平存在某种关系，但反映运动效率增加。本研究中，受试者服用文拉法辛后，食指轻叩实验的执行能力改善，初级运动区的ALFF值的增高与对侧食指轻叩实验的执行能力改善存在正相关，表明了文拉法辛能改善运动的灵巧性、增加反应速度，且初级运动区的ALFF值的增高是“高效”的表现，反映了文拉法辛促进该区的神经元活动及功能重组。