静息态fMRI观察脊髓型颈椎病患者初级躯体感觉皮层功能连接

章晨蕾，谭永明，何来昌，钟 军，郭建强，周福庆

(南昌大学第一附属医院影像科，江西 南昌 330006)

脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy，CSM)是颈椎病各分型中最严重者，可导致上下肢运动和感觉功能异常。CSM主要损伤机制包括直接慢性压迫导致脊髓前角和中间运动神经元退变、侧索和后索轴突脱髓鞘，大血管如椎体前方动脉受压导致脊髓供血不足或循环淤滞，以及起保护和修复作用的少突胶质细胞损伤等[1]。基于BOLD的fMRI通过检测大脑功能区活动时血流变化而获得脑功能改变的客观信息。神经影像学研究[2-3]表明，CSM患者存在脑皮质结构和功能重构。本课题组前期研究[4]发现脊髓病变可影响内源性脑活动，大脑皮质重塑参与CSM术后功能恢复，但对于初级躯体感觉皮层(primary somatosensory cortex， S1)的静息态功能连接改变尚需深入研究。鉴于不同体表部位在S1均有相应投射区域，本研究将S1分为胸部、背部、手指、上肢、下肢和头面部6个感觉亚区，采用基于种子点的功能连接技术观察CSM患者S1脑功能连接变化，旨在为CSM临床诊断、治疗和预测感觉功能的恢复提供客观影像学依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2015年12月—2017年8月我院经临床及影像学确诊的33例CSM患者(CSM组)，男14例，女19例，年龄30～59岁，平均(48.2±7.1)岁，平均病程(23.55±3.00)个月。排除标准：①脑肿瘤、脑出血、脑梗死、严重缺血脱髓鞘病变等中枢神经系统器质性疾病；②颈椎手术史；③年龄>60岁；④不能配合fMRI。选取同期年龄、性别、受教育程度相匹配的23名健康志愿者为对照组，男10名，女13名，年龄30～59岁，平均(46.8±7.7)岁，均无脊髓压迫症状和影像学表现，无神经系统疾病史，且神经系统检查正常。

所有受试者均为右利手，并接受日本骨科协会(Japanese Orthopaedic Association， JOA)评估治疗评分和颈椎功能障碍指数评分(neck disability index scores， NDI)测试。本研究经南昌大学第一附属医院医学伦理委员会批准，受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Trio Tim 3.0T MR系统，8通道头颅线圈。首先行常规MR扫描以排除脑部器质性病变。静息态BOLD fMRI扫描时，嘱受试者闭目、保持清醒，采用梯度回波-回波平面成像序列，TR 2 000 ms，TE 30 ms，翻转角90°，FOV 200 mm×200 mm，矩阵64×64，连续扫描30层，层厚4 mm，层距1.2 mm，扫描时间8 min 6 s。T1W结构像扫描采用3D梯度回波序列，矢状位扫描，TR 1 900 ms，TE 2.26 ms，翻转角9°，层厚1 mm，层间距1 mm，矩阵256×256，FOV 250 mm×250 mm，体素大小1 mm×1 mm×1 mm，共176层。

1.3 数据处理 采用基于Matlab 7.0平台的SPM8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)软件，首先以静息态fMRI数据处理助手(DPARSFA)V2.3工具对T1W结构像数据进行预处理。将每侧S1分为下肢、背部、胸部、上肢、手指及头面部6个感觉亚区[5]，分别以双侧12个感觉亚区的蒙特利尔神经病学研究所(montreal neurological institute， MNI)坐标为中心，勾画12个半径为4 mm的球形ROI作为种子区(图1)，提取种子区BOLD信号的时间序列，与全脑其他脑区作基于体素的时间序列Pearson相关性分析，得到功能连接系数并构建功能连接图，对得到的相关系数值行Fisher-z转换，转换成z分数，使其符合正态分布。采用DPARSFA软件包，在构建的功能连接图内以双样本t检验比较CSM组与对照组间的差异，经FDR校正，P<0.05、簇体素≥10为差异有统计学意义。

图1 S1分区示意图 根据感觉纤维投射特点，将中央后回按体表不同部位分为6个感觉亚区

1.4 统计学分析 采用SPSS 24.0统计分析软件。计量资料以±s表示，CSM组与对照组间年龄比较采用两独立样本t检验。2组间性别比较采用χ2检验。以Pearson或Spearman相关分析差异脑区的功能连接值与JOA评分(包括上肢、下肢运动功能和上肢、下肢、躯干感觉功能)、NDI之间的相关性。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

CSM组与对照组间性别(χ2=0.077，P=0.938)、年龄(t=0.795，P=0.430)差异均无统计学意义。CSM组JOA评分平均为(12.24±2.08)分，NDI为27.64%±15.35%。

CSM组中，2例为颈髓单节段受压，31例多节段受压，其中C2～C3节段受压3例，C3～C4节段受压25例，C4～C5节段受压30例，C5～C6节段受压30例，C6～C7节段受压22例；C3～C4节段脊髓变性4例，C4～C5节段脊髓变性4例，C5～C6节段脊髓变性14例，C6～C7节段脊髓变性1例。

与对照组比较，CSM组患者S1左侧上肢感觉亚区与左侧角回、左侧颞下回、右侧颞中回功能连接减低；左侧下肢感觉亚区与左侧角回功能连接减低；右侧胸部感觉亚区与左侧角回、左侧额上回、左侧内侧额上回、左侧额中回、左侧颞中回/颞下回、右侧角回、右侧额上回、右侧小脑后叶功能连接减低；右侧下肢感觉亚区与左侧角回功能连接减低(P均<0.05，FDR校正，表1，图2～5)。其他感觉亚区与全脑皮质的功能连接差异均无统计学意义(P均>0.05，FDR校正)。

表1 CSM患者与对照组之间S1感觉亚区功能连接异常的脑区

注：P均<0.05，FDR校正

CSM患者S1左侧上肢感觉亚区与左侧角回的功能连接值与NDI呈负相关(r=-0.377，P=0.031)，与左侧颞下回的功能连接值与上肢感觉JOA评分呈正相关(r=0.353，P=0.044)。S1右侧下肢感觉亚区与左侧角回的功能连接值与下肢感觉JOA评分呈正相关(r=0.406，P=0.019)。其他差异脑区的功能连接值与JOA评分、NDI均无明显相关(P均>0.05)。

3 讨论

目前多采用静息态和/或任务态fMRI观察感觉运动网络(sensory motor network， SMN)网络激活情况[6-7]。SMN主要包括初级感觉运动区(sensorimotor area of cortex， SMC)、前运动区(premotor cortex， PMC)、顶叶皮层(parietal cortex， PC)、辅助运动区(supplementary motor area， SMA)、前额叶皮层(prefrontal cortex， PFC)、岛叶和小脑。相比对照组，本组CSM患者大脑存在感觉、运动相关脑区功能重组，包括S1双侧下肢感觉亚区与顶叶区(左侧角回)功能连接减低，S1左侧上肢感觉亚区与顶叶区(左侧角回、右侧颞中回)、左侧颞下回功能连接减低，S1右侧胸部感觉亚区与SMA(左侧内侧额上回)、顶叶区(双侧角回)、PFC(双侧额上回、左侧额中回)、右侧小脑后叶及左侧颞中回/颞下回连接减低。

人脑前额叶、中央区、顶叶、颞叶和皮质下等多个区域涉及运动执行、各种下行运动命令和上行感觉输入的处理和传递[8]。角回位于顶下小叶后部，后顶叶皮层是重要的联合皮层区域，既可调控感觉和运动，也可起认知功能作用。本研究结果显示S1多个感觉亚区与角回、颞中回功能连接减低，这可能与CSM患者感觉障碍有关，本体感觉和触觉传入减少导致后顶叶皮层与S1连接功能减低，这一理论已在脊髓损伤的研究中得到证实[8]。另外，角回作为“语言的视觉记忆中心”，与认知功能相关，研究[9]发现CSM患者存在认知功能障碍，可能也是S1多个感觉亚区与左侧角回功能连接减低的原因之一。同时，本研究发现CSM患者S1右侧下肢感觉亚区与左侧角回功能连接值与下肢感觉JOA评分呈正相关、S1左侧上肢感觉亚区与左侧角回功能连接值与NDI呈负相关，提示CSM患者脊髓受压越严重，纤维束损伤越明显，所致脑部功能受损越严重。颞叶皮层也属于联合皮层区，接受多通道的感觉信息。其中颞中回后部与顶叶同属于SMA的顶部整合区，但颞下回不属于SMN。本研究CSM组颞中回与S1右侧胸部感觉亚区的功能连接减低，并累及颞下回，推测可能是邻近皮层功能代偿的结果；而S1左侧上肢感觉亚区与左侧颞下回功能连接减低，可能与CSM患者脊髓受压，导致初级感觉皮层灰质萎缩，脑区间纤维束连接紊乱，最终导致相关脑区功能连接减低有关。本研究还发现CSM患者S1左侧上肢感觉亚区与左侧颞下回的功能连接值与上肢感觉JOA评分呈正相关，提示随着JOA评分减低，患者上肢感觉功能障碍症状加重，上行纤维损伤、减少，导致功能连接减低。

本研究中还发现CSM患者S1右侧胸部感觉亚区与多个SMN相关脑区功能连接减低。内侧额上回位于SMA，其部分神经元轴突投射至脊髓，参与运动准备及运动执行[10-11]。CSM患者S1右侧胸部感觉亚区与左侧内侧额上回功能连接减低，可能是由于CSM患者躯体感觉输入信息减少，脊髓丘脑束等传入纤维损伤，破坏了完整的感觉、运动相关神经反射等控制系统。PFC与记忆、语言、认知和随意运动等有关，是人体主要的感觉运动中枢。额上回对空间工作记忆的存储极为重要，额中回与运动功能相关。除上述功能外，PFC作为脑的最高级中枢，还与感觉功能密切相关[12]。本研究中CSM患者S1右侧胸部感觉亚区与PFC(双侧额上回、左侧额中回)功能连接减低，可能与CSM患者感觉障碍有关；而S1右侧胸部感觉亚区与右小脑后叶功能连接降低，考虑可能与CSM患者的小脑萎缩致小脑的功能减弱所致，而小脑后叶的萎缩可能与CSM患者运动功能障碍相关。

总之，本研究结果表明CSM患者存在感觉运动相关的脑功能重组。但本研究结果中功能连接异常脑区存在偏侧化现象，笔者推测可能是控制感觉或运动的皮层存在优势半球现象，也有研究[13]认为当某些病变或损伤位于非优势半球时，则可能产生对侧忽视，另一可能是本研究纳入的CSM患者脊髓损伤存在如旁正中型椎间盘突出等可致偏侧化损伤的原因。