H反射和功能磁共振成像分析膀胱充盈及控尿机制的神经功能学研究进展

黄源兴，刘春晓

南方医科大学珠江医院泌尿外科，广东 广州510000

尿液的储存和周期性释放依赖于周围神经和中枢神经系统不同层次的复杂神经网络，该神经网络协调控制膀胱和尿道的平滑肌及括约肌活动［1］，下尿路各器官之间的功能协调是由位于大脑高级中枢、脊髓低级中枢和周围神经节等复杂神经控制机制共同介导的［2］。由于调节储尿和排尿的神经机制的复杂性，神经系统及泌尿系统疾病对于排尿行为的影响十分显著，尿液的储存和释放高度依赖于神经系统通路。

过去20 年，电生理学技术和功能磁共振成像（fMRI）技术逐渐成为神经功能学领域内研究人类病理或生理状态的有力手段，两者可以帮助我们更好地理解控尿相关的神经通路和大脑区域的活动与特定功能之间的关系。

1 H反射—对脊髓神经反射的研究

H反射又称Hoffman反射，是一种电诱发的脊髓单突触反射［3-4］。该反射由感觉神经纤维传入、经由突触、运动神经纤维传出，它和F波都属于诱发肌电图检查，是可以记录在人类受试者身上的最简单的反射之一，现已成为运动控制研究的常用手段。在健康成人中，电刺激腘窝处胫后神经（即直接刺激运动神经纤维）可直接引起其支配腓肠肌和比目鱼肌的诱发电位产生M波，经过一段潜伏期后，出现第二个诱发电位称H 波（冲动通过IA类传入纤维进入脊髓后逆向激发运动神经的兴奋产生的反射性肌肉收缩）。H反射常在肌肉处于静息状态时记录到，随着刺激强度缓慢增加，H反射波幅渐增，其潜伏期逐渐降低。刺激量继续增大时会同时出现H波与M波。当刺激强度更进一步增加，M波波幅逐渐增大、此时H反射的波幅逐渐降低［5］。

H反射可用于测定脊髓前角α运动神经元的兴奋性以及整个传导通路中感觉、运动神经纤维的功能状态，在各种中枢神经系统或运动神经元病变的患者中，H反射可表现为异常。人体排尿反射由四个基本组成部分组成：传入神经元、脊髓中间神经元、传出神经元以及调节脊髓反射的大脑通路，通过研究膀胱充盈状态对H反射的不同影响，可以探讨人类排尿行为与脊髓运动神经元的相互关系。

1.1 膀胱充盈状态对H反射的影响

膀胱充盈和排空阶段激的神经元机制主要涉及几个结构：进出膀胱的躯体神经通路、自主外周神经通路、节段脊髓回路和脊髓上控制中心［6-8］。膀胱控制涉及中枢神经系统和外周神经系统之间的持续相互作用，当膀胱充盈时，其扩张导致盆腔传入神经信号逐渐增多，此时尚无盆腔传出神经信号的传递，随后当膀胱充盈至达到排尿阈值时，盆腔传出通路完全激活［9］，从而产生排尿行为。

H反射产生的神经冲动主要反映同侧运动神经元池通过脊髓的单突触反射而使运动神经元产生复合肌肉动作电位。当我们自主排尿时，“器官-躯体”反射（腰骶神经平面）就会工作，促进尿液的顺利排出。

有学者人认为膀胱充盈对脊髓运动神经元兴奋性具有一定程度的影响，这种影响在健康受试者、多发性脑梗死患者和脊髓损伤患者中有明显差异［10］。他们的研究发现，正常受试者和多发性脑梗死患者的膀胱充盈抑制H反射，而脊髓损伤患者的H反射则没有被抑制，甚至略有增强，这与另一研究发现的截瘫患者的膀胱充盈可以增强H反射的现象［11］相吻合。正常受试者膀胱充盈时的肌电反应（H反射、F波和运动诱发电位）大小呈下降趋势，其中的运动诱发电位是通过皮质脊髓下行的冲动直接或通过神经元间细胞间接刺激负责H反射的运动神经元而诱发的［12］。既往研究通过膀胱充盈降低运动诱发电位的大小和F波的大小，证实了膀胱传入的激活通过突触后机制直接改变脊髓运动神经元的兴奋性水平［10］。研究动物单突触反射的学者也阐述了类似的发现，他们认为膀胱扩张后的内脏-躯体反应是抑制的，这种抑制在去大脑动物中最高，但在脊椎动物中最低［13］。

因此，膀胱充盈能够使正常人的脊髓运动神经元兴奋性降低，这种现象在H反射的抑制中得以体现，这种抑制作用是通过激活复杂的内脏-躯体通路而产生的，其中脊髓损伤可以抵消这种抑制作用。由于H反射降低时间与膀胱最大充盈时间一致，当受试者感到痛苦并不能继续憋尿时，膀胱传入纤维会向中枢传递伤害性信号，因此继发于膀胱充盈的运动神经元抑制也可能是一种由痛觉传入信号激活并由本体脊髓系统介导的复杂内脏-躯体反射，其中可能涉及弥漫性伤害抑制性控制［14］或固有脊髓系统［15-16］。

1.2 原位新膀胱充盈状态对H反射的影响

1988年德国学者首先报道了回肠新膀胱术［17］，后在此基础上进行的改良和创新性术式不断涌现。国内有学者于2000年创新性采用“去带”方式构建乙状结肠新膀胱［18］。该新膀胱选用了更接近生理性位置的，处于消化道末端、几乎无营养吸收功能的乙状结肠来构建膀胱，其有着与正常膀胱同源的神经支配，理论上能够达到更接近生理性排尿的神经调控机制。

为了验证脊髓运动神经元兴奋性在膀胱充盈时受到抑制这一现象的产生，除了膀胱传入神经的作用之外是否存在其他传入神经的介导调控，有学者选择了8例回肠原位新膀胱术后的患者进行了H反射检查，结果无一例患者的H反射受到抑制；而在正常人群中，该反射在膀胱充盈时受到明显抑制［19］。因此该团队认为，正常人体膀胱充盈引起的腓肠肌H反射受抑制的现象主要来源于膀胱传入神经的刺激信号，而以回肠构建的新膀胱充盈或其充盈所致的腹部/骨盆压力的变化可能无法像生理性膀胱一样传递相应的充盈信号，因此无法对脊髓兴奋性产生影响，也不会引起H反射的变化。

根据上述研究［19］的思路以及乙状结肠与膀胱部分同源的神经支配理论［20-21］，我们选择了11例全去带乙状结肠原位新膀胱术后的患者进行了膀胱充盈和排空过程的H反射检查，其中9例患者均存在新膀胱充盈时H反射被抑制且排空时H反射逐渐恢复的现象，剩余患者中未引出H反射者1例，H反射无明显变化者1例。

从结论上看，与生理性膀胱一样，全去带乙状结肠原位新膀胱充盈所产生的信号能够抑制H反射，提示脊髓运动神经元兴奋性在膀胱充盈时受到抑制这一现象的产生，除了膀胱传入神经的作用之外可能存在其他传入神经通路的介导调控，并且使用全去带乙状结肠构建的新膀胱充盈时激活了该通路，其信号传导和机制相较于回肠原位新膀胱可能更加接近生理性膀胱。

由于预试验样本量尚少，误差的干扰和偶然事件发生率较大，我们的预试验结果只能初步提示全去带乙状结肠原位新膀胱充盈产生的信号对脊髓运动神经元兴奋性可能具有一定程度的影响，关于新膀胱患者尿意产生原理和控制排尿的脊髓神经机制还需要我们进一步探索。

2 fMRI—对大脑皮层调控机制的研究

fMRI技术作为一种无创的医学影像技术，不仅能对脑功能激活区进行准确定位，还可以研究不同脑功能区之间及其与对应生物学行为之间的功能相关性，在临床上应用已十分广泛。近年来，国外学者开始利用fMRI开展泌尿系统下尿路相关的机制研究，借助fMRI研究大脑控尿区域，有利于我们理解最高中枢调控排尿行为的神经学机制。

2.1 血氧水平依赖（BOLD）fMRI的生理学基础

fMRI是评估大脑功能的主要工具之一，其超快速成像技术能够准确反映出大脑在受到各种刺激或发生病变时所产生的功能变化。磁共振图像的对比度能体现T1、T2弛豫时间及质子密度的差异，使得不同组织在同一图像上的信号对比以及同种组织在不同图像上的信号对比产生差异。fMRI与传统的MRI所测量的磁共振信号不同。传统MRI是利用组织水分子中的氢原子核在磁场中发生的核磁共振现象对组织结构进行成像，而fMRI是利用大脑的神经元活性、能量代谢和局部血供之间的关系来间接测量大脑相应区域在受到各种刺激或发生病变时所产生的功能变化［22］。

大脑激活区信号的改变与局部血流因素密切相关。局部的血管反应由多种介质共同参与，其中包括较为重要的一氧化氮和二十烷类［23-24］。当谷氨酸与星形胶质细胞上的受体结合时，会触发一氧化氮的释放，此时突触周围的胶质细胞参与控制滋养动脉的血管反应［25］，并由此决定了大脑的局部灌注水平以及与神经元活动相关的局部血流量。由于在人脑的神经元活动中，突触后神经元的去极化和小幅度动作电位消耗了大部分的能量［26］，即大脑中的能量消耗主要产生于突触后神经元的信息传递和整合，因此能量消耗本身并不能直接驱动局部血流量的增加［27］，血流量的变化可能是大脑局部神经递质直接作用的结果。

1990 年有学者首次提出BOLD 的概念［28］，随着BOLD技术的发展及应用，其逐渐成为研究人脑功能的重要手段。在电生理学中，BOLD信号的变化与MR场强的关系极为密切［29］。当大脑某区域神经元被激活，其电活动可引起脑血流量显著增加，同时氧的消耗量也增加，但由于氧耗量增加幅度较低，所以综合效应是大脑局部血液氧含量增加［30］，这也导致氧合血红蛋白与去氧血红蛋白比值增加。BOLD成像取决于微循环中氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的比值，因为氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的磁性不同，前者是抗磁性物质，而而后者是顺磁性物质，后者中的铁离子有4种不成对电子，磁距较大，可产生T2缩短效应。因此当大脑局部神经元活动增强时，该区域局部血流量显著增加，去氧血红蛋白含量相对减少，T2缩短效应不明显，导致T2驰豫时间延长，此时在功能磁共振成像系统采集到的图像中可见到激活脑区的信号强度增加，从而获得激活脑区的功能成像图［31］。相反，当某一脑区的去氧血红蛋白含量相对增加时，T2加权信号减弱，该区域中的MR信号强度减弱。

2.2 下尿路神经控制的功能磁共振成像研究

下尿路的神经控制表现为储尿和排尿两个阶段之间的切换，其基础是大脑-脊髓神经回路，该回路受相互连接的大脑区域网络控制，由中枢多条环路介导，其共同汇合点位于脑干［32-33］。

在尿液储存过程中，随着膀胱逐渐充盈，膀胱内部传入信号强度逐渐增加，直到超过脑干—特别是中脑导水管周围灰质（PAG）设置的阈值，然后反射开始被激活，即脑桥排尿中心（PMC，也称m区或巴林顿核［34］）被激活，尿道括约肌舒张，膀胱收缩，产生排尿行为。有相关的大鼠脑成像试验［35］提示，在尿液储尿过程中，PAG被激活，PMC不活跃。而当膀胱容量达到排尿阈值时，PAG活性增强，PMC激活，说明从储存到排尿这一过程的转换与PMC有关。

正常的成年人可以有意识地控制排尿发生的时间和地点，但即使是正常的受试者也可能无法在所有情况下都能按命令排尿，排尿只能在身体感到舒适且放松的情况下才会发生。如果排尿反射在不受高级大脑中枢（大脑膀胱控制网络）抑制的情况下单独存在，则当膀胱充盈使传入信号达到阈值水平时，排尿反射就会自动触发，从而产生非自愿排尿行为，即尿失禁。

脑干包含两个与排尿有关且功能不同的核团，即中脑PAG和PMC。PAG是反射信号从膀胱储尿期到排空期再返回空虚状态的位置，它投射到前脑的许多部位，包括杏仁核、尾纹床核、下丘脑和丘脑，并通过这些结构到达膀胱控制网络的其他部位。大脑下尿路控制网络投射回PAG，PAG也接收来自膀胱的上行传入信号，并通过PMC向膀胱和尿道发送下行信号。另一方面，除了可能接收来自丘脑的排空信号外［34］，PMC几乎完全从PAG接收信号。当PAG激活PMC时，PMC将信号传递到骶髓，骶髓Onuf核的抑制性中间神经元舒张尿道括约肌的同时膀胱收缩，从而产生排尿行为，因此PMC确保了排尿反射的协调性。早期的研究表明，排尿的开始阶段和维持阶段应有所区分［36］，但事实上，一旦排尿反射被触发，即使没有更高中枢进一步控制，排尿行为仍然在继续［35］。PAG不仅与膀胱排空的启动有关，在尿液储存期也起着重要作用。PAG处于大脑和膀胱之间的关键位置，它将来自膀胱的信息传达至高级大脑，同时也接收来自大脑神经控制网络的反馈信息，抑制排尿反射，从而产生憋尿行为。

2.2.1 通路1 前额叶皮层和脑岛叶（丘脑、岛叶、IPFC、mPFC及PAG）岛叶是体内平衡的传入皮层，负责记录内脏感觉［37-38］。它接受体内的平衡信息（整个身体的生理状况的感觉，包括内脏），通过脊髓传入纤维传入，并在丘脑中传递，这些信息便包括了大脑对膀胱充盈程度的评价。有许多关于尿液储存的脑成像研究中都观察到了岛叶的激活，随着膀胱充盈，岛叶激活增加，从而产生排空欲望［38-39］。老年受试者的膀胱感觉相对较弱［40］，相应地膀胱感觉不明显［41］。有文章证实［42］，脑岛在正常老年女性和那些对治疗有反应的急迫性尿失禁患者中存在激活现象。然而对于那些治疗无效的急迫性尿失禁患者，岛叶则不激活，提示控尿行为依赖于体内平衡信息的有效传递。岛叶的激活是双侧的。丘脑在处理膀胱信号并将其传递到左右岛叶（以及许多其他皮层区域）中的作用得到了成像研究的支持，这些成像研究显示丘脑对膀胱充盈刺激起反应［43］。

前额叶皮层（PFC）在膀胱控制中的重要性是由临床研究确立的，后续临床研究证实对膀胱功能有长期影响的病变部位位于前额叶皮层内侧白质区［44-45］。前额叶皮层内侧灰质区病变则导致相对短期的尿失禁。原发性夜间遗尿的儿童为mPFC的重要性提供了进一步的证据，他们在夜间难以控制膀胱，该区域的静息状态显示出异常连接［46］。

前额叶皮层腹内侧区参与个体情绪变化和社会环境下个体思维决策［47］。它们与边缘系统、下丘脑、杏仁核以及脑岛和前扣带皮层间（ACC）有广泛的相互联系。前额叶皮层外侧区（IPFC）主要参与认知方面，尤其是工作记忆方面［48］，一些膀胱研究观察到IPFC或额下回的激活现象［49］。前额叶皮层腹内侧的信号则通向边缘系统和大脑其他部分。

一项PET研究表明，排尿时内侧前额叶区域被激活。然而，在憋尿或膀胱充盈，尤其是在尿急失禁时，mPFC在膀胱充盈反应中失活而非激活［50-52］。mPFC是上述默认模式网络的一部分［53］，但目前尚不清楚mPFC的失激活现象，是否为功能失调，或是失禁原因，还是排尿反射被抑制的迹象，又或者是一种促进失禁的机制。

2.2.2 通路2 前扣带回背侧和辅助运动区 当膀胱充盈时，越来越强的排空欲望刺激大脑，使人体在合适的时间和地点下有意识地定期排空膀胱。ACC可以被认为是边缘运动皮层［54］，负责身体唤醒状态下的驱动和自我调节［55］。在循环系统中，前扣带回背侧（dACC）激活控制心率的交感神经［56］。同样，ACC激活可通过这些外周器官上的交感β、α肾上腺素能受体协同控制下尿路功能。此外，dACC通常与相邻的辅助运动区（SMA）共同激活，后者的激活与盆底肌和横纹肌的收缩有关［57-59］。因此，如果急迫性尿失禁患者产生突然的尿意时，dACC和SMA能够做出相应的反应，使人体产生紧迫尿意，刺激排空，同时又收缩尿道括约肌，延迟排尿，使人体有足够的时间到合适的地点排空膀胱。

PAG到dACC/SMA的传入信号可能是通过丘脑传递的，完整的信号通路目前尚不清楚，可能涉及脑干的交感核、PAG，甚至是L区。这种回路似乎是一种短期的后备失禁机制，用于急迫性尿失禁或膀胱过度活动症患者症状发作时，而在正常受试者中，dACC/SMA被膀胱充盈信号激活的强度较低或不被激活。

2.2.3 通路3 皮层下机制 正常情况下，膀胱始终处于缓慢充盈的状态，但人体并无明显尿意产生，此时大脑在无意识地监测膀胱，此时fMRI显示出皮层下网络的激活，包括PAG和颞叶皮层海马旁回［60］。此时通路1和通路2可能没有激活，因此无膀胱充盈感觉的产生。

在特发性膀胱感觉或排空功能障碍的女性中，通过骶神经调节恢复膀胱感觉可导致类似脑干/海马旁网络的激活变化［61］。这表明PAG可能是正常监测膀胱并与大脑其他部分交换信号的关键区域。由于海马旁回靠近杏仁核，而杏仁核是情感中心，因此这个区域可能涉及影响膀胱排空的情感因素。

2.3 原位新膀胱神经控制的功能磁共振成像研究

原位新膀胱重建手术是目前膀胱全切术后尿流改道的主流术式［62-63］，其手术是否成功，很大程度上取决于患者术后能否达到满意的尿控状态，这一状态的实现主要基于膀胱尿流动力学特征和神经反射通路的完整保留。目前，国际主流的新膀胱术后尿控功能分析常采用问卷调查评估，存在一定的主观偏差，且观察指标相对局限，不能反映整体的排尿功能系统重构情况。

在正常情况下，膀胱逐渐充盈时，膀胱壁被动牵拉刺激牵张感受器，并将冲动信号从盆神经传至脊髓，再传至大脑皮层产生尿意。而在排便时，结肠壁的被动牵拉刺激信号通过脊髓传至大脑皮层产生便意。膀胱和乙状结肠同处于盆腔低位，乙状结肠受L1-2交感神经及S2-4副交感神经支配，与膀胱的神经支配部分同源，两者的蠕动节律及压力相近，使得排尿和排便的神经机制具有部分相似之处。经过与神经电生理专家探讨及查阅文献的基础上，我们挑选了8位行全去带乙状结肠手术的新膀胱患者进行静息态fMRI脑功能成像检查并进行ReHo分析，得到的ReHo初步分析图表明相较于空虚状态，新膀胱充盈且产生较为强烈的尿意时，大脑皮层右侧额下回岛盖部和旁扣带回有较为明显的激活，提示该脑区可能与全去带乙状结肠新膀胱患者尿意产生有关。

目前国际上和国内暂无关于原位新膀胱储尿控尿机制的神经功能学研究，由于本次我们预试验纳入的样本量较少，且静息态功能磁共振受患者自身思维状态影响较大，结果可能存在较大误差，但这并不影响其对我们的提示和启发作用。接下来我们将逐步扩大样本量，并在静息态fMRI的基础上加入任务态fMRI检查，进一步探索原位新膀胱患者储尿控尿的大脑高级中枢的调控机制。

3 总结与展望

正常膀胱充盈可能通过激活复杂的内脏-躯体通路使脊髓运动神经元兴奋性降低，从而出现H反射的抑制。与生理性膀胱一样，全去带乙状结肠原位新膀胱充盈所产生的信号同样能够抑制H反射，提示膀胱充盈抑制脊髓运动神经元兴奋性这一现象的产生除膀胱传入神经的作用之外还可能存在其他传入神经通路的介导调控，并且使用全去带乙状结肠构建的新膀胱充盈时激活了该通路，其信号传导和机制相较于回肠原位新膀胱可能更加接近生理性膀胱。另外，fMRI技术能对膀胱充盈及自主排尿时的脑功能激活区进行准确定位，还可以研究不同脑功能区之间及其与对应排尿行为之间的功能相关性，这有利于我们理解最高中枢调控排尿行为的神经学机制。

综上，尿液的储存和周期性释放依赖于周围神经和中枢神经系统不同层次的复杂神经网络，该神经网络协调控制膀胱和尿道的平滑肌及括约肌的活动。调节储尿和排尿的神经机制非常复杂，而利用电生理学和功能磁共振成像技术来记录和分析膀胱储尿排尿行为的大脑调控机制是可行的。我们将利用这两项技术进一步研究生理及病理条件下膀胱储尿控尿的神经学机制，并以此为基础，探索膀胱切除术后行原位新膀胱手术患者的尿意产生原理及排尿控制机制，从而为临床术式的选择和操作提供新的思路。