基于功能性近红外光谱技术的卒中后上肢单侧任务与双侧任务的脑功能成像对比观察

田婧，何志杰，杨青，刘珏，贾杰

卒中后常出现上肢运动功能缺损，其中约1/3的患者上肢运动障碍可持续6个月甚至更长时间[1]。超过一半的日常生活活动（如穿衣、进食）依赖于上肢功能[2]，因此上肢运动障碍是卒中患者重新融入社会的一个重要障碍。

单侧上肢训练和双侧上肢训练均是目前常用的卒中后上肢训练方法。双侧上肢训练要求患者用双侧上肢完成运动任务，健侧和患侧肢体通过同时训练来促进双侧肢体间的协调配合，以促进受损肢体的功能恢复[3]。功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）是一种新型的无创脑功能检测技术，可以通过实时检测大脑皮质中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量，间接地反映大脑神经活动，可用于评估卒中后功能的恢复或治疗的效果[4-5]。通过fNIRS检测的大脑皮质活动可在一定程度上反映卒中后皮质及皮质下大脑功能的重塑[6]。因此，fNIRS配合特定的训练任务可对执行任务时患者的脑功能活动进行实时动态检测，完整地评定卒中患者大脑激活模式，反映患者的神经重塑情况[7-9]。本研究采用fNIRS实时检测上肢训练过程中大脑皮质相关功能区的激活程度以及氧合血红蛋白的浓度变化，以探索单侧上肢训练和双侧上肢训练激活大脑的程度和方式的差异，为临床选择更适宜的康复训练模式提供参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象 本研究为前瞻性研究，连续入组2021年1-4月在复旦大学附属华山医院、上海市第一康复医院、上海市第三康复医院接受康复治疗的卒中患者。纳入标准：①年龄30～80岁；②首次卒中（脑出血、脑梗死）或既往有腔隙性脑梗死但未遗留神经功能缺损；③卒中诊断符合1995年全国第四届脑血管病学术会议通过的各类脑血管病诊断要点，且经头颅CT或MRI检查证实[10]；④发病时间≥2周，存在运动功能障碍；⑤无认知障碍，MMSE≥25分；⑥上肢Brounnstrom分期≥Ⅲ期；⑦头颅完整，未行开颅手术或颅骨修补术；⑧患者自行签署或授权委托人签署知情同意书。排除标准：①发病在2周内；②存在严重认知障碍或精神性疾病，无法配合指令或检查；③存在颅骨缺损、头部感染及皮肤破损等情况无法进行近红外脑功能成像检测；④癫痫发作期。本研究获得复旦大学附属华山医院伦理委员会批准，审批号：（2020）临审第（677）号。

1.2 近红外脑功能成像方法 采用便携式近红外脑功能成像设备（NirSmart，丹阳慧创医疗）对患者进行大脑近红外观察。该设备包含24个光源探头、16个探测探头，在实验设计中构成40个有效通道（图1），通道距离采用3 cm间距，参考国际10～20系统进行定位，覆盖前额与两侧运动区（图2）。该设备全通道采样率≥11 Hz。光源探头采用波长分别为730 nm和850 nm，可在运动状态下同时检测大脑皮质相关区域氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化。

图1 近红外脑功能成像设备检测通道的显示图

图2 近红外脑功能成像设备在大脑上的定位模型

1.3 执行任务方法 单侧任务为患者在安静室内，独立坐位，患侧上肢单独上举至鼻尖水平位置，缓慢放下后再重复动作，每组上举30 s，休息20 s，重复9组。双侧任务为患者在安静室内，独立坐位，健手和患手的手指交叉共同上举至鼻尖水平位置，然后缓慢放下后再重复动作，每组上举30 s，休息20 s，重复9组。

1.4 数据处理和比较 采用NirSpark近红外数据处理软件分析收集的原始光强数据。利用低通和高通滤波器对数据进行滤波，消除脉搏和呼吸等生理波动引起的噪声以及环境和温度变化引起的基线漂移；在不改变任何原始数据的情况下，对病灶位于大脑右侧的数据进行左右脑反转；通过使用修正的比尔-朗伯定律，将光密度数据转换成氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度；使用广义线性模型来拟合和分析血流动力学相应函数，并获得提示激活程度的β值；通过对特征值编辑获得任务过程中的氧合血红蛋白浓度均值。分别比较单侧上肢训练和双侧上肢训练时患侧和健侧大脑各脑区的β值及氧合血红蛋白浓度。

1.5 统计学方法 采用SPSS 23软件进行统计分析，计量资料为非正态分布，采用M（P25～P75）表示，采用独立样本秩和检验进行组间比较，计数资料采用频数和率（%）表示。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

共入组31例卒中患者，年龄38～80岁，平均63.4±10.5岁；男性24例（77.4%），女性7例（22.6%）；脑梗死29例（93.5%），脑出血2例（6.5%）；左侧上肢功能障碍14例（45.2%），右侧上肢功能障碍17例（54.8%）；平均发病时间135.2±106.8 d。17例病灶位于大脑左侧，14例病灶位于大脑右侧，病灶位于右侧的数据经左右脑反转处理。

在双侧任务与单侧任务β值比较中，40个通道中有14个通道（患侧8个，健侧6个）的β值差异有统计学意义，单侧任务时的β值低于双侧任务时，所代表的脑区分别为健、患两侧的初级运动皮质区、辅助运动皮质区、初级躯体感觉皮质区及部分前额叶皮质区等（表1）。

表1 单侧和双侧训练任务时β值差异有统计学意义的脑区数据

在双侧任务与单侧任务氧合血红蛋白浓度比较中，40个通道中有12个通道（患侧8个，健侧4个）的氧合血红蛋白浓度差异有统计学意义，单侧任务时的氧合血红蛋白浓度低于双侧任务时，所代表的脑区分别为健、患两侧的初级运动皮质区、辅助运动皮质区、初级躯体感觉皮质区及部分前额叶皮质区等（表2）。

表2 单侧和双侧训练任务时氧合血红蛋白浓度差异有统计学意义的脑区数据（单位：mmol·L-1·mm-1）

3 讨论

大量证据表明中枢神经系统疾病后功能的恢复是基于大脑重组和神经的可塑性[11-13]。脑损伤后未受损半球的活动可能有助于运动功能的有效恢复，其机制可能为其他潜在的脑网络活动替代了脑损伤区的功能[12]。Rehme等[13]报道，双侧半球初级运动皮质区、辅助运动皮质区活动的增加与高级运动功能有关。健侧初级运动皮质区和其他区域的补偿性增强反映了卒中后功能网络的变化，即重组现象。轻度运动障碍患者患侧的初级运动皮质区中有更多的激活，而重度运动障碍患者则是健侧初级运动皮质区和辅助运动皮质区中有更强的激活[13]。在本研究中，与单侧上肢训练时相比，双侧上肢训练时健侧和患侧的初级运动皮质区和辅助运动皮质区的激活程度有普遍增高，提示双侧上肢训练在促进卒中后功能网络重组方面的作用可能优于单侧训练。

大脑的运动和感觉由对侧大脑半球的初级运动和感觉皮质控制，双侧半球同等脑区间通过大量的胼胝体纤维联系，并且双侧半球初级运动皮质区和感觉皮质间还存在动态的功能联系和相互抑制，处在正常制衡状态[14]。近年来的研究发现，如果患侧脑损伤过于严重，则患者的功能恢复可能更多地依赖对侧半球的功能代偿，这种代偿可能存在于双侧同等脑区之间或正常情况下有结构和功能连接的脑区之间，也可能形成双侧半球间新的结构和功能连接[15]。因此，这时的临床治疗重点为促进健侧脑的有效代偿，减少无意义的病理性异常模式形成。在本研究中，双侧任务与单侧任务对比发现，健侧脑同位脑区出现了与患侧同等程度的激活和氧合血红蛋白浓度的增高，说明双侧训练时健侧脑可能通过建立新的功能连接来代偿患侧脑损伤的功能。但仅从大脑皮质的激活并不能完全说明以上问题，还需要深入地去研究大脑在执行活动时内在的网络连接或重建。

双侧上肢训练和单侧上肢训练均是目前常用的卒中后上肢训练方法，一些研究认为单侧上肢训练仅适用于肢体功能较好的偏瘫患者，患侧上肢训练并不能改善双手协调性[16]。还有一些功能磁共振成像（functional MRI，fMRI）研究显示，双侧上肢训练可增加大脑半球间的感觉和运动皮质区的功能连接和半球内同侧运动功能区的功能整合[17]。本研究的结果同样显示对比单侧任务，患者在执行双侧任务时患侧和健侧大脑的激活均更为明显，与上述研究的观点一致。目前国内也有相关研究认为双侧训练比单侧训练更为有效[18-19]。综上所述，双侧上肢训练可能是卒中患者更有效的干预手段。

本研究的不足在于：仅设计了一次任务的数据对比观察，反映的是大脑皮质激活的即时效果，对于两种训练在脑功能重建方面的证据尚不足。后续将进行更深入的脑网络连接研究来探索单侧上肢和双侧上肢训练对大脑相应脑区的网络连接以及脑功能重塑方面的促进和影响。

【点睛】卒中后康复训练中针对上肢功能的双侧任务训练较单侧训练对脑区的激活更明显，主要为大脑初级运动、辅助运动和初级躯体感觉等皮质区，提示双侧任务训练可能在促进脑功能重塑方面有积极的作用。