健康志愿者双下肢本体感觉激活相关脑功能中枢分布特点的BOLD-fMRI研究

李佳慧 张萍淑 元小冬 周立富 张亚杰 刘业松

华北理工大学附属开滦总医院 河北唐山 063000；①河北省神经生物机能重点实验室

本体感觉是一种感官合集，传达有关身体状态及其与环境的物理相互作用信息，分为中枢性和外周性。中枢性本体感觉又称深感觉，是指来自肌、腱、关节等的位置觉、运动觉和振动觉；外周性本体感觉在传导通路中传导皮肤的精细触觉[1]。脑卒中后发生本体感觉受损可导致严重的运动缺陷,其功能恢复是脑卒中后运动功能和预后的重要因素[2]。本体感觉中枢涉及大脑中感觉运动区域的广泛网络,与运动控制密切相关,目前对这种感觉的研究较少[3]。磁共振脑功能成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技术具有无辐射、无需外源性放射示踪剂、可以反复多次操作等较多优势，被广泛应用于脑功能定位研究[4]。血氧水平依赖法(BOLD)是fMRI技术的理论基础，为脑功能研究提供了定性、定量、动态的综合信息。本研究通过在BOLD-fMRI下对正常成人双下肢胫神经进行电刺激产生踇趾被动运动激活本体感觉传导通路，观察其涉及到的大脑网络，为脑卒中或脑损伤后本体感觉康复的神经刺激治疗提供潜在靶点，提供潜在脑机接口本体反馈位点，为临床个体化康复治疗方案制定及身体恢复提供理论依据。

1 对象与方法

1.1研究对象 应用前瞻性研究方法，在2018年03月～2019年10月期间选取10位健康成人志愿者为研究对象，影像学检查均无异常，近期无用药史，受试部位无感染及外伤史。其中男5例，女5例，年龄24～51岁，平均(31.0±9.4)岁。试验前12小时避免食用任何含酒精饮料。在试验之前告知所有受试者试验目的与注意事项，并签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1试验设计及数据采集 使用NeuroCare-C肌电图诱发电位仪对所有受试者双下肢胫神经电刺激以产生踇趾被动运动激活本体感觉传导通路，在给予双下肢胫神经刺激电流阈值(somatosensory evoked potential current threshold, SEPCT)的电刺激，以激活本体感觉传导通路的同时对受试者进行全脑BOLD-fMRI扫描。

1.2.2SEPCT检测 受试者取仰卧位，清洁受试部位，使电极与皮下组织间的阻抗<5KΩ。由同一位专业技师使用肌电图诱发电位仪将刺激器置于距离远端内踝后2～3cm处，采用双下肢胫神经交替刺激模式。皮层接收电极按脑电图学会制定的10-20系统放置，记录电极为Cz'点，参考电极为Fz点；同侧下肢的腘点放置记录电极、膝点放置参考电极各1个。刺激方式采用频率5.1Hz、宽度0.3ms的方波刺激，强度以踇趾产生微弱被动运动为宜，信号平均叠加500～1000次，并出现稳定、可辨识的本体感觉诱发电位波形，分别记录双下肢的SEPCT。

1.2.3磁共振成像(MRI)数据采集 采用GE Signa TwinSpeed 1.5T磁共振成像系统，Signa 1.5T正交发射/接收头线圈。定位像与解剖像的扫描：先扫描定位像及兴趣中枢部位基础解剖图，再进行全脑T1WI、快速扰相梯度回波序列(FSPGR)、3D成像、单激发多时相平面梯度回波EPI序列扫描成像。BOLD-fMRI技术主要序列及其参数：采用T2WI梯度回波脉冲序列，单激发多时相回波平面成像(EPI)，取轴面，平行于前后联合线，定位扫描18层，单次采集，重复时间(TR)3000ms，回波时间(TE)60ms，反转角90°，视野为24cm×24cm，层厚5mm，间隔1.5mm，频率编码方向为R/L。

1.2.4Block组块刺激模式 受试者安静仰卧于扫描床上，用楔形硬海绵固定头部。由同一个专业技师操控肌电图诱发电位仪释放刺激阈值电流。扫描期间受试者手握报警皮球，若感到不适按压皮球即终止试验。BOLD-fMRI扫描时间共为8分钟，采用倒计时方式，计时开始时分别给予左、右下肢胫神经SEPCT刺激(产生踇趾被动运动激活本体感觉传导通路，运动范围约1cm左右)，持续60秒，静止60秒，重复4次。刺激模式流程图见图1。

图1 刺激模式流程图

1.3图像处理 在Matlab 2016平台上应用SPM12(Statistical Parametric Mapping)脑功能成像数据分析软件对扫描数据进行处理。包括数据转换、Realign(头动校正)、Coregister(配准)、Normalise(空间标准化)、Smooth(平滑)、Specify 1st-lever(建立模型)、Estimate(参数估计)，以Results产生激活区坐标，通过GingerALE2.3.6软件使SPM所得MNI坐标转换为标准Talairach坐标，利用Talairach Client 2.4软件查看具体解剖位置。

2 结果

本研究受试者均顺利完成试验，左、右侧胫神经刺激电流分别为(23.60±5.04)mA、(25.70±2.05)mA，差异无统计学意义(t=-1.157，P=0.262)。激活的脑区包括初级运动皮层(BA4)，前运动皮层/辅助运动区(BA6/8)，体感联合皮层(BA5/7)，体感皮层(BA3/2)，前额叶皮层(BA9/10/11)，岛叶(BA13)，初级视皮层(BA17)，视觉联合皮层(BA18/19)，次级体感皮层(BA40)，颞中回(BA21/38)，颞上回(BA22)，边缘叶前扣带(BA32)，额下回(BA45/47)，小脑，豆状核/壳核及丘脑等部位。具体激活情况、例数见表1，图2。

图2 正常成人左、右下肢本体感觉激活相关脑功能皮质中枢整体情况注：(a)为左下肢；(b)为右下肢

表1 健康志愿者本体感觉刺激激活相关脑皮层中枢区的BOLD-fMRI扫描结果

3 讨论

本体感觉信息通过两个系统传至大脑，一是本体感觉神经元中枢突进入脊髓同侧后索，组成薄束和楔束升至延髓后交叉形成内侧丘系，再经脑桥、中脑到丘脑腹后外侧核，最后投射到皮层体感区；二是以小脑为终点的本体感觉信息通过后脊髓小脑(下肢)和楔小脑(上肢)束进入脊髓，并通过同侧小脑脚进入脊髓小脑。小脑水平的本体感觉信息用于调整姿势和直线运动，而本体感觉信息的更高水平处理发生在顶叶皮质等皮层区域。目前国内外有关fMRI的报道较多,但大多局限于上肢运动,其中以主动运动研究居多,被动运动研究很少[5-6]。

本研究在BOLD-fMRI下对正常成人双下肢胫神经电刺激产生踇趾被动运动激活本体感觉传导通路从而观察相关脑网络的激活,结果发现本体感觉相关中枢主要位于额叶(中央后回、辅助运动区)、顶叶(超边缘回)、颞叶、枕叶(楔前叶)、脑岛、小脑等部位；且具有明显右半球偏侧性。Winckel、Julio等应用fMRI技术通过健康受试者食指被动运动，发现楔前叶、上顶叶回、顶内沟、超边缘回、辅助运动区以及背侧和腹侧前运动皮层等相关脑区的激活，本研究结果与其大致相同[7-8]。研究表明，中央后回、顶叶(上顶叶、下顶叶)、颞横回、岛叶与本体感觉中位置觉有关，中央后回、超边缘回、岛叶、颞上回和顶叶岛盖与运动觉相关，本研究中均可见相关位点的激活[9-10]。超边缘回是顶骨关联区域的一部分，fMRI研究发现，超边缘回在健康受试者和脑卒中受试者手部位置认知中起重要作用[11]。本研究采用刺激双下肢激活本体感觉模式，同样具有超边缘回的激活，表明超边缘回在脚部位置认知中同样存在重要作用。

本研究表明，在刺激下肢的左或右胫神经激活本体感觉中枢的同时，还激活了边缘系统、视觉联合皮层等相关中枢，以产生对刺激源形态特征的识别、躲避反应以及情绪、认知、记忆等多方面的活动变化。已有研究证实，感觉信息的输入能够在颞顶联合区皮层产生反应，即触觉刺激可以激活听觉皮层，感觉皮层与听觉皮层、视觉皮层之间均存在单向或双向的神经纤维投射，表明本体感觉涉及的传导通路涉及颞中回等其他中枢，并将其作用扩展到听觉空间定位之外[12]。本研究中激活的岛叶、扣带回、壳核/尾状核、丘脑等部位，也是痛觉中枢和负责视觉忽视的大脑区域， 因此本研究中本体感觉中枢激活的同时可能并存痛觉、视觉忽视等相关中枢的激活[13-15]。

本研究样本量较少，通过对受试者双下肢胫神经电刺激以产生踇趾被动运动激活本体感觉传导通路来观察本体感觉中枢所涉及的大脑网络，有待进一步扩大样本量研究。以此为基础与脑卒中患者本体感觉相关皮质中枢激活的情况作对比，进一步发现本体感觉中枢受损后的脑功能代偿重组与临床行为的关系，对脑卒中患者的康复治疗具有理论指导意义。

综上所述,双下肢本体感觉通路激活了初级运动皮层、辅助运动区、体感联合皮层、前额叶皮层、岛叶、初级视皮层、次级体感皮层、颞中回、小脑及丘脑等主要脑区，并协同激活边缘系统、视觉联合皮层等中枢。