fMRI观察电刺激麻木感对正常人中枢神经系统的影响

鲁学婷，王海宝，方 杰，徐丽艳，刘 飞

(安徽医科大学第一附属医院放射科，安徽 合肥 230022)

麻木感是机体的一种感觉障碍，可分为2类，其一为生理性麻木感，主要由于身体某一部位神经较长时间受压及血液供给障碍引起，如长时间下蹲导致的下肢麻木、手脚位置不当等[1]，大多历时短暂，解除压迫状态后迅速消失；另一类为由神经障碍、循环障碍等疾病引起的病理性麻木感，大多长时间存在，待原发病治愈后方可消失。MRI现已广泛用于研究针刺效应的脑机制[2]。本研究采用功能MRI(functional MRI, fMRI)观察电刺激肢体产生麻木感时大脑皮质激活情况，探讨电刺激麻木感对正常人脑功能的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 招募22名健康志愿者，男、女各11名，均为右利手，年龄24～30岁，平均(26.0±1.8)岁；大学本科及以上学历，无相关神经及精神疾病史，无家族遗传性疾病史，无近期服用影响大脑功能药物史。本研究经安徽医科大学伦理委员会批准(20190474)。

1.2 仪器与方法 采用深圳奥泊康公司生产的CL-105脉冲电刺激仪，于受试者右侧内外脚踝上方裸露皮肤贴敷约3.5 cm×4.0 cm电极片，接通电源后先进行预试验，对受试者施以低频率(400 Hz)及高频率(1 200 Hz)2种不同频率电刺激，使其适应麻木感强度，并对不同电刺激频率进行麻木感评分和效价评分。麻木感评分：电刺激时感觉麻木感很强为9分，中度麻木感为5分，未出现麻木感为1分。情绪效价评分：感觉舒适、享受为9分，感觉中立(无舒适或不适感)为5分，感觉不适为1分。

采用Philips Ingenia 3.0T MR仪、头颅线圈采集颅脑MRI。扫描参数：3D-T1W，采用梯度回波序列进行矢状位扫描，TE 2.9 ms，TR 6.5 ms，FOV 256 mm×256 mm，FA 9°，矩阵256×256，层数211，层厚1 mm，层距0 mm；任务态血氧水平依赖性fMRI(blood oxygenation level-dependent fMRI, BOLD-fMRI)，采用回波平面成像脉冲序列行全脑轴位扫描，扫描层面平行于前后联合连线，TR 3 000 ms，TE 30 ms，FA 90°，FOV 217 mm×217 mm，矩阵64×64，层厚3.3 mm，层距0 mm，层数48，共126个时间点。

任务刺激采用组块设计方法，对每名受试者实施2组任务程序，同时采集BOLD-fMRI。每组任务程序包括6个静息和6个运动组块。每组前18 s为空白扫描，于第19 s开始，通过分别给予“低频率电刺激-静息-高频率电刺激-静息……”及“高频率电刺激-静息-低频率电刺激-静息……”的刺激范式实现第1、2组任务程序，每个组块持续30 s，重复3次；2组任务程序之间间隔1 min。见图1。扫描结束后，受试者对MR检查过程中不同频率电刺激进行麻木感评分和效价评分。

图1 2组任务程序的刺激范式 A.第1组； B.第2组 L为低频率电刺激；H为高频率电刺激；R为静息

1.3 数据处理及统计学分析 采用Matlab R2018a和SPM12软件处理脑功能数据；以SPSS 20.0软件进行统计学分析。计量资料以±s表示。对原始数据进行预处理，包括去除前18 s的静息态图像、转换图像格式、头动校正及图像标准化等，之后进行配对样本t检验，以激活簇至少达5个像素为有意义的激活脑区，获得不同频率电刺激下脑激活强度存在显著差异的脑区，并采用FWE法校正，获得激活簇峰值的MNI空间坐标及参数值；以激活脑区为ROI，采用配对样本t检验比较不同强度电刺激下脑激活区激活效应值的差异。比较低频率及高频率电刺激下受试者麻木感及情绪效价评分差异，以线性相关分析观察高频电刺激下麻木感与情绪效价评分的关系。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 麻木感评分及效价评分比较 低频率刺激下麻木感为(3.50±0.96)分，高频率刺激下麻木感(7.27±1.28)分，差异有统计学意义(t=13.18，P<0.01)。低频率及高频率刺激下情绪效价评分为(7.13±1.28)分和(3.54±1.40)分，差异有统计学意义(t=10.77，P<0.01)。高频率电刺激下麻木感与情绪效价评分呈负相关(r=-0.53，P=0.01)。

2.2 2种电刺激下脑激活强度差异比较 不同电刺激下脑激活强度存在显著差异的脑区主要包括左侧岛叶顶盖、左侧中扣带回、左侧颞叶、右侧顶叶岛盖、左侧中央后回、右侧中央岛盖、右侧岛叶后部及左侧丘脑，见表1、图2。

表1 高频率电刺激与低频电刺激激活存在显著差异脑区

图2 不同电刺激下激活存在显著差异脑区

2.3 高低频率电刺激下激活脑区的激活效应值比较 低频电刺激与高频电刺激下激活脑区激活强度差异均有统计学意义，高频率电刺激下左侧岛叶顶盖、左侧中扣带回、左侧颞叶、左侧顶叶岛盖、左侧中央后回、左侧中央岛盖、左侧岛叶后部及左侧丘脑激活效应值均高于低频率电刺激(t=7.55、6.73、6.69、6.34、5.95、5.90、5.84、5.37，P均<0.05)，见图3。

图3 高低频率电刺激条件下激活脑区效应值比较 A.左侧中央后回； B.左侧中扣带回； C.左侧丘脑； D.左侧岛叶顶盖

3 讨论

肢体麻木感常随各种疾病发生，多伴不同程度肢体疼痛及无力等[3]。神经受压、损伤或局部血运障碍等可能导致持续麻木，严重影响工作效率及生活质量。BOLD-fMRI是常用fMRI技术，可观察血流、血容量和人血红蛋白氧合之间的相互作用关系。人在感知外界变化时会激活相关脑区，导致磁场信号变化。目前BOLD-fMRI已用于定位运动、感觉及语言等功能区[4]。

既往疼痛相关脑功能成像研究[5]较多，却少见关于麻木感的fMRI研究报道。直流脉冲电刺激可用于观察疼痛[6]，根据不同电流强度诱发不同等级疼痛感觉，能明显激活相应脑区，数据处理后可获得较为理想的脑功能激活图，且易为受试者接受，无明显不良反应。本研究利用电刺激建立正常人麻木感模型，以fMRI显示麻木感任务态中显著激活的脑区，结果显示低频率与高频率电刺激下麻木感评分及效价评分均存在明显差异，且高频率电刺激下麻木感与效价评分呈负相关，提示随着电流频率增加，受试者负性情绪亦增加，即2种不同频率电刺激产生的麻木感带给人的主观感觉有明显差异。

本研究中任务态fMRI显示高频率电刺激较低频率电刺激脑激活强度明显增强的脑区主要有左侧岛叶顶盖、左侧中扣带回、左侧颞叶、右侧顶叶岛盖、左侧中央后回、右侧中央岛盖、右侧岛叶后部及左侧丘脑[7]。一般浅感觉传导通路的第一级神经元位于脊神经节，第二级神经元在脊髓灰质后角，最后在丘脑再次更换神经元，丘脑是其第三级神经元。丘脑是大脑皮层发达动物的最重要的感觉信息传导接替站，多数全身各种感觉的传入信息均在丘脑更换神经元，最终投射到大脑皮层的不同区域[8]。丘脑只对感觉进行粗略分析与综合[9]，浅感觉传导更换神经元后上行至内囊，最后投射到大脑躯体感觉区。中央后回是大脑皮质的躯体感觉区，接替丘脑传来的信息，其投射的是对侧体表的躯体感觉[7]。本研究发现电刺激下丘脑和中央后回均被激活，证实麻木感于丘脑更换神经元后投射到中央后回。扣带回位于胼胝体上方，是边缘系统的组成部分，前扣带回包含扣带回中部，与人类认知执行及情绪处理等密切相关，其对情绪、感觉、运动和认知信息有独特的处理方式，整合多种来源的传入，包括动机形成、错误预估以及认知和情感网络再现等[10]。产生麻木感时，前扣带回被激活，推测麻木感可能对大脑认知等功能造成影响。麻木感在丘脑转换神经元，传递至前扣带回介导情绪，这些结构的功能可能是将麻木感与认知信息、情绪信息及学习记忆联系起来。岛叶的功能十分复杂，近年研究[11]发现岛叶与情绪、成瘾及痛觉调节等有关。MISKOWIAK等[12]发现岛叶不仅可识别厌恶情绪，其本身即与产生厌恶情绪密切相关，且其产生的厌恶情绪具有选择性。有学者[13]指出，岛叶可能并不直接产生厌恶情绪，而是在产生各种情绪后选择性保留厌恶情绪。岛叶亦与成瘾密切相关，fMRI研究[14]发现网络成瘾青少年与正常青少年左侧岛叶存在明显差异；而香烟成瘾者岛叶损伤后烟瘾程度有所下降[8]，酒精成瘾者双侧岛叶fMRI激活强度明显大于非成瘾者[15]，提示岛叶对于成瘾形成具有重要地位。产生麻木感岛叶激活，原因可能在于对这种感觉产生了厌恶情绪，亦有可能成瘾。躯体疼痛可激活岛叶，目前对于后者在麻木感和疼痛调控中的具体作用机制是否相同尚不明确。电刺激产生麻木感时，颞叶亦被激活，颞叶是听觉中枢，可能患者在麻木感中出现幻听；另外，颞叶还与记忆、情绪等有关，提示颞叶可能参与情绪分析。

综上所述，电刺激产生麻木感与左侧岛叶顶盖、左侧中扣带回、左侧颞叶、右侧顶叶岛盖、左侧中央后回、右侧中央岛盖、右侧岛叶后部及左侧丘脑激活有关；组块设计BOLD-fMRI可用于检测麻木感相关脑区活动，有助于揭示麻木感产生的脑机制，为早期诊断及鉴别诊断麻木相关疾病提供依据。