下肢截肢患者的脑功能连接

刘绍文，魏聪惠，单新颖，张焱

1.南昌大学第二附属医院，江西南昌市 330006；2.国家康复辅具研究中心老年功能障碍工程康复北京市重点实验室，北京市 100176

0 引言

截肢是由于各种疾病（肿瘤、糖尿病和感染等）、手术或外伤（车祸、坠落和挤压等）导致的部分肢体缺失。在发育过程中，神经系统会不断分化出不同神经元，在不同环境下，神经系统会发生重组，这就是神经可塑性[1-2]。神经可塑性意味着大脑能从过去的经验和环境中学习，并对外部刺激做出反应[2]。下肢截肢患者由于下肢残缺，感受器、传入神经和传出神经切断，神经末梢肿胀、突出和轴突再生，可导致中枢神经系统重塑[3]。另外，截肢患者背根神经节也检测到异常放电，说明截肢也会导致外周神经系统重塑[4]。

创伤性截肢被认为不会损伤大脑结构，这一点存在灰质与白质解剖学变化的争论[5-7]。上肢截肢患者的脑感觉区和运动区出现普遍重塑[1,8]。Makin等[9]的研究表明，上肢截肢后脑可塑性变化不局限于缺失的手部感觉运动区，还存在手部感觉运动区与感觉运动网络和默认网络之间的功能连接降低，长期截肢的个体连接性更弱。Zhang 等[10]的研究指出，下肢截肢患者皮质下核团与对侧感觉运动区间的功能连接降低；随着时间延长，感觉运动网络皮质下区和皮质区之间的功能连接进一步降低。Hahamy 等[11]研究先天性单手患者使用多个身体部位（如残臂、嘴和脚）的代偿行为，多样化的代偿与大规模皮质重组有关，而与缺失手皮质的接近程度无关；缺失手的皮质代表区γ-氨基丁酸（gama-aminobutyric acid,GABA）水平降低，提示功能连接选择性降低。替代缺失手功能的身体部位代表区扩展到缺失手的皮质中，并在运动时活动增加，Mahon 等[12]认为，手的皮质代表区可能不一定代表手本身，而是具有缺失手功能的任何其他身体部位。此外，幻肢痛与初级感觉运动皮质间功能连接性降低有关，在执行运动想象任务时，有幻肢觉的截肢患者完整手和缺失手的反应时间均显著延长，没有幻肢觉的截肢者则没有明显延长，慢性幻肢痛维持了局部皮质的表达，并破坏初级感觉运动皮质区域间的连通性[13-14]。

相位锁值（phase-locked values,PLV）是脑功能连接网络研究常用的指标，它通过计算μ 频段网络节点的PLV形成所有电极位置连通的加权网络；计算每个电极的特征向量中心度可区分运动想象和运动执行任务。Santamaria 等设计情绪刺激试验，使用PLV分别构建μ 节律和β 节律脑网络，提取小世界参数区分想象左右手任务[15]。PLV与振幅无关，是分析相位同步的一种合适方法。

目前研究上肢截肢和动物截肢引发脑功能和结构变化的研究较多，对下肢截肢后脑功能和结构的研究较少。李昭阳等[16]和王玲等[17]采用特定任务（运动想象、视觉想象等）探究脑功能连接水平的大脑重塑。运动想象常常使用μ节律（8～13 Hz）和β节律（14～20 Hz）区分不同的任务[18]。运动想象不仅激发支配该肢体的皮质，还激发前运动皮质、初级运动皮质、小脑、顶下小叶和辅助运动区等多个区域。

本研究记录下肢截肢患者静息态脑电，着眼于多频段和多电极分析，探究患者在δ（0.5～4 Hz）、θ（4～8 Hz）、α（8～13 Hz）、β（13～30 Hz）多频段上功能连接性的变化，具有无创、高时间分辨率、方便快捷等特点[19]。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2020 年11 月至2021 年6 月，通过国家康复辅具研究中心，非定向招募健康成年人22 例（对照组）和下肢截肢患者18 例（患者组）。对照组均为男性；患者组男性16 例，女性2 例；除截肢外无其他神经-精神疾病。见表1。

表1 下肢截肢患者基本信息

本试验研究经国家康复辅具研究中心伦理委员会批准。被试均知晓试验目的和研究方法，签署知情同意书并获得一定补偿。

1.2 数据采集

在国家康复辅具研究中心脑电图室完成。采用Net Station Acquisition EGIDense Array EEG 256 通道脑电采集系统（美国EGI公司）记录脑电数据。系统由256 通道脑电采集放大器和256 导联电极帽组成。测量前，被试用实验人员提供的物品洗头。设备调试完成后，被试坐在舒适的椅子上，静息睁眼采集脑电数据，共4 min。以Cz 为参考电极，头皮阻抗＜50 kΩ，采样频率500 Hz。

1.3 数据预处理

使用离线MatLab 2017 软件的EEGLAB 对脑电数据进行预处理[20]。使用EEGLAB/FIR 进行带通滤波，设置为1～30 Hz；以全脑平均参考进行重新参考（rereference）；2 s 分段。手动检查坏导进行插值；通过独立成分分析（independent component analysis,ICA）剔除眼动、心电、眼漂等成分。为减少计算量，选择标准10-20 系统的头皮电极和下肢的头皮代表电极C1、C2。对电极进行重新编号和排序，共21 个导联：F8、Fp2、Fz、F3、C1、Fp1、F7、C3、T7、P3、P7、Pz、O1、Oz、O2、P4、P8、C4、C2、T8 和F4。电极位置见图1。

图1 纳入电极的位置

1.4 PLV

相位同步被广泛应用于探索混沌系统的非线性动力学特征。若两个神经震荡活动的相位具有恒定相位差，则认为这两个活动存在相位同步关系。带通滤波、选择感兴趣频段后，对每个电极和分段采用希尔伯特变换得到脑电信号的瞬时相位时间序列，据此计算PLV。PLV的范围为0～1，越接近1，两个节点间的功能连接性越强。

1.5 统计学分析

采用SPSS 22.0 统计软件进行统计分析。对每个被试不同频段（δ/θ/α/β）的PLV进行平均，组间比较采用独立样本t检验，显著性水平α=0.05。

选择两组间存在显著性差异的边，对应到患者组和对照组的功能连接网络矩阵中，计算不同频段下两组功能连接网络平均值，将存在显著性差异的边相减（对照组-患者组），得到存在显著性差异的功能连接脑网络图。用黄色线表示患者组功能连接降低。

2 结果

两组电极对之间功能连接指标矩阵见图2 和图3。两组间低频段（δ/θ）上电极间功能连接无显著性差异（P＞0.05），患者组α 和β 频段部位电极间功能连接明显降低（P＜0.01）。见表2。患者组功能连接减少的边主要位于额叶、颞叶、枕叶等。见图3。

图2 两组δ和θ频段下电极间功能连接矩阵

图3 两组α和β频段下电极间功能连接矩阵

表2 两组不同频段PLV比较

3 讨论

神经系统在结构和功能上可针对经验和损伤做出自我调整，截肢是神经可塑性的影响因素之一。大脑主要认知中心神经元网络连接不足，可导致智力低下[21]。本研究采用静息态脑电图探索下肢截肢患者和健康人的持续神经元振荡，分析脑功能连通性，结果显示，在α 和β 频段上，下肢截肢患者整体功能连接降低。

在运动想象和运动执行试验中，相应脑区激活，同时对应电极α 和β 频段上往往会出现事件相关去同步和事件相关同步现象，提示α 和β 频段与运动相关。下肢截肢患者在α 和β 频段上PLV降低与其运动功能下降对应。下肢截肢患者功能连接降低不限于运动代表区，而是整体降低，提示截肢影响到更多的脑区，如额叶和枕叶。与近年一些研究结果类似。截肢患者视觉相关代表区结构发生改变[22-23]。在δ 和θ 频段上，下肢截肢患者功能连接与健康人相似。δ 波常在额部出现，只在皮质内发生，常见于儿童和成年人睡眠时，在正常清醒成人脑波中少见。人格特征和工作记忆与θ频段振荡相关[24-25]。工作记忆任务可诱发显著的θ 振荡，并随负载增加而增强[25]。下肢截肢患者δ 和θ频段上功能连接无显著性差异。

上肢截肢后，患者远期基础体感运动区、上顶叶皮质、辅助运动区、初级运动皮质和小脑等多个脑区均观察到灰质减少，可能表示长期截肢状态导致广泛的脑区重塑。本研究显示，下肢截肢切断了传入和传出神经元，功能连接发生重塑不限单个脑区，与多脑区灰质减少相似。Pawela等[25]和Makin等[9]根据任务分析感兴趣区域，并未对全脑静息态功能连接进行分析。本研究对下肢截肢患者静息态多频段全脑网络进行分析，与健康人进行横向比较。

截肢患者常发生幻肢痛。一些学者认为，幻肢痛导致大脑重塑[26]。研究发现[27-28]，嘴部皮质代表区入侵手部缺失代表区程度越大，则幻肢痛程度越重，即大脑重塑程度与幻肢痛程度相关。减轻幻肢痛的方法之一为运动想象，以改善不良的大脑重塑[29]。下肢截肢患者进行运动想象疗法康复后，可应用静息态脑电图观察大脑功能连接，进行大脑可塑性分析，评估运动想象的疗效。穿戴假肢是下肢截肢患者改善运动功能的重要手段，观察功能连接变化有助于指导假肢使用。

总之，下肢截肢患者在α 和β 频段上整体功能连接显著降低，但在δ 和θ 频段上功能连接无显著改变。下肢截肢状态不仅影响所截肢体投射脑区（感觉运动区等），还影响到远离的多个脑区（额叶、颞叶、枕叶等）。

高密度脑电设备有高时间分辨率，但空间分辨率略有不足；功能磁共振成像可以补充空间分辨率上的不足。后续的研究可联合使用功能磁共振成像，深入探讨下肢截肢患者脑功能重塑。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。