功能磁共振成像在帕金森病患者四肢联动训练时脑功能活动区的协同作用研究

帕力丹木·吾买尔，阿里木江·阿卜杜凯尤木，维克拉木江·祖农，艾洁尔古丽·麦合苏木，戴国朝

0 前言

帕金森病（Parkinson's disease, PD）是临床常见的神经系统疾病，为老年人最常见的锥体外系疾病。随着我国人口的老龄化，PD 的发生率不断增加，据估计，到2030年，我国PD患者将达到500万例[1]，给国家和患者带来沉重的社会和经济负担。PD 的主要临床特征为运动症状，包括静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势步态异常等，此外还可伴有非运动症状，如抑郁、二便异常、认知障碍及睡眠紊乱等, 随着疾病程度的进展，临床症状会逐渐加重以及并发症的出现，如药物疗效减退、“开关”现象等。康复训练配合药物治疗是PD患者治疗的重要干预方法，四肢联动训练是其中之一。四肢联动训练可以同时刺激上下肢的运动功能从而改善患者各关节活动 ，使上下肢协调运动，相关研究报道四肢联动训练可改善PD患者四肢协调性运动，提高了患者的耐力、平衡能力及行走能力[2-3]。该领域研究较多，但受限于检查与试验设计的难度，现没有应用功能MRI（functional MRI,fMRI）探讨四肢联动训练对PD 患者的作用机理的研究，使得该领域的研究缺乏连贯性。本研究旨在通过采用fMRI 在PD 患者四肢联训练时脑功能活动区的协同作用进行研究，明确PD 患者四肢联动训练时脑功能活动区的协同作用情况和干预机制，从而指导临床治疗干预，提高四肢联动训练效果，改善疗效和患者生存质量。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经过喀什地区第一人民医院伦理委员会批准（批准文号：2021-86），全体受试者均签署知情同意书。本研究前瞻性纳入我院2021 年4 月至2023 年2 月PD 患者50 例为病例组，并以同期基线资料匹配的健康查体志愿者30 例为对照组。病例组纳入标准：（1）符合英国脑库帕金森病诊断标准[4]，非继发性帕金森综合征或帕金森叠加综合征；（2）疾病的严重程度依据Hoehn-Yahr分级量表为1.0～1.5 级，认知功能正常或轻度认知功能障碍（依据蒙特利尔认知评估量表[5]评分大于或等于21）；（3）自愿入组，均签署知情同意书。病例组排除标准：（1）既往有颅脑炎症、外伤史、手术史等；（2）合并血管性、肿瘤性、感染、药物、中毒、甲亢、动脉硬化及外伤以及其他神经变性疾病患者；（3）合并阿尔茨海默病、精神分裂症、抑郁症等神经系统疾病者；（4）存在磁共振扫描禁忌及不能配合检查的患者。对照组纳入标准：（1）既往体健，一般检查及神经功能检查无异常；（2）自愿入组，均签署知情同意书；（3）T2WI及T2 液体衰减反转恢复（T2 fluid attenuated inversion recovery, T2 FLAIR）信号正常，或者轻度异常者（T2 FLAIR 有轻度白质疏松改变，Fazekas量表1级）。对照组排除标准：（1）既往神经精神疾病及功能性疾病，具有遗传病史、脑部炎症、肿瘤、外伤史、手术史、吸毒、酗酒史；（2）存在磁共振扫描禁忌及不能配合检查的患者。本研究中病例组和对照组受试者均为右利手。

表1 研究对象一般资料Tab.1 Baseline data of research subjects

1.2 干预方法

患者均根据帕金森病基层诊疗指南（2019）进行PD 药物治疗，并进行四肢联动训练干预，对照组亦进行四肢联动训练。在试验开始之前，让受试者在安静的环境中休息5 min 以放松。休息后进入检查室并平卧于检查床上，头部置于颅脑线圈内并以海绵垫加以固定，减少受试者的头部运动。试验过程中所有受试者保持清醒并执行运动任务。运动任务设置为双上肢的伸缩运动和双下肢的蹬踏运动。辅助试验人员通过脑功能刺激一装置指导受试者进行运动和休息。具体试验方案为：使用E-prime 3.0 软件（Psychology Software Tools Inc., Pittsburgh,PA）进行组块设计，由4个静止休息状态A（每个40 s）和4 个运动任务状态B（每个40 s）组成，静息状态和任务状态交替进行共4 组（AB、AB、AB、AB）。通过美德医疗（深圳）磁共振兼容显示系统将静息状态A（屏幕显示为黑底白字“+”）和任务状态B（屏幕显示黑底白字“开始进行四肢联动”）的提示通过电脑传输至扫描间屏幕，并由投线圈前方的镜子反射进入受试者视野进行静止和运动控制。休息开始至运动结束，时间共320 s。

1.3 检查方法

两组均采用西门子3.0 T MAGNETOM Skyra 核磁共振成像系统进行检查。矢状面、冠状面及横轴面T1WI 选取自旋回波序列，TR 440 ms，TE 11 ms，矩阵256×224，FOV 24 cm×24 cm 或22 cm×22 cm，层厚6 mm 或5 mm，层间距3.0 mm 或2.5 mm；T1WI 采用快速扰相梯度回波序列，TR 11.1 ms，TE 4.2 ms，矩阵256×128，FOV 22 cm×22 cm，层厚1.5 mm，层间距0 mm，扫描时间3 min 12 s；采用血氧合水平依赖（blood oxygenation level dependent, BOLD）法并应用激发回波平面成像梯度回波序列，TR 2 000 ms，TE 60 ms，矩 阵64×64，FOV 22 cm×22 cm，层厚5 mm，扫描时间5 min 20 s，共扫描160个时间点。

1.4 图像处理

fMRI 数据预处理在安装有Matlab 2020 及SPM 12 件的计算机上进行。首先对数据进行预处理，主要过程包括：数据转换，时间点去除，时间层校正（slice timing），头动校正（motion correction）及对齐（realign），结构功能像对齐（co-register）及结构像分割（segmentation），空间标准化（normalization）及高斯平滑（smooth）。对于预处理的数据，如果头动大于2 mm和2°，则认为该受试者运动幅度过大，排除该被试（共排除PD 患者5 例，健康对照者1例）。对符合要求的受试者数据进行一阶分析与二阶分析。一阶分析：利用一般线性模型（GLM）进行一阶建模分析，得到个体水平的统计结果。二阶分析：利用双样本t检验对个体结果进行组间统计，并进行多重比较（false discovery rate,FDR）校正，得到最终激活差异图。

1.5 统计学方法

使用的统计软件SPSS 21.0，计量资料采用均数±标准差表示，数据满足正态性，独立组间比较采用t检验；计数资料采用例（%）表示，组间比较采用卡方分析；P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般临床资料

50 例PD 患者与30 例健康志愿者纳入研究。两组受试者在性别、年龄和受教育年限方面差异无统计学意义（P＞0.05）（表1）。

2.2 观察比较两组兴奋区域情况

2.2.1 对照组脑fMRI分析结果

健康对照组做四肢联动运动时，经过单样本t检验及FDR校正后，和基线水平相比，大脑显著激活区主要有双侧初级感觉运动皮层（sensorimotor cortex,SM1）、左侧辅助运动区（supplementary motor area,SMA）、右侧丘脑、右侧岛叶、左侧颞上回及左侧顶下小叶（表2，图1）。

图1 对照组做四肢联动时激活的脑区。Fig.1 Brain regions activated during limb linkage in the healthy control group.

表2 对照组做四肢联动时激活的脑区参数Tab.2 Brain regions activated during limb linkage in the healthy control group

2.2.2 病例组脑fMRI分析结果

病例组做四肢联动运动时，经过单样本t检验及FDR 校正后，和基线水平相比，大脑显著激活区主要有右侧SM1、左侧SMA、右侧岛叶、左侧颞上回及左侧顶下小叶（表3，图2）。

图2 病例组做四肢联动时激活的脑区。Fig.2 Brain regions activated during limb linkage in the Parkinson's disease group.

表3 病例组做四肢联动时激活的脑区参数Tab.3 Brain regions activated during limb linkage in the Parkinson's disease group

2.2.3 对照组与病例组脑fMRI对比分析结果

与对照组对比，PD 患者做四肢联动运动时，大脑显著激活减弱的区域有左侧SMA，右侧岛叶及左侧颞上回，而激活增强的区域有右侧SM1（表4，图3、4）。

图3 做四肢联动时病例组较对照组激活减弱的脑区。Fig.3 Brain regions with reduced activation in the Parkinson's disease group compared to the control group during limb linkage.

3 讨论

在本研究中我们应用任务态fMRI技术观察了右利手PD患者与基线资料一致的健康志愿者在四肢联动训练时相关脑区激活状况。已有较多的研究报道了四肢联动训练在PD患者治疗中的作用，然而，没有关于四肢联动训练对PD患者脑功能的中文研究。我们首次用fMRI 技术探讨了该疗法的干预机制，这项研究将为四肢联动训练的可行性和有效性提供证据，有助于指导临床进一步合理治疗。

BOLD-fMRI 扫描时干扰因素较多，信号强度受运动频率和强度的影响，因此需要加以控制。我们在正式试验之前对所有受试者进行模拟训练，使患者充分理解试验内容，训练时运动强度与频率与正式试验相同，保证了所有受试者之间运动任务难度一致。使得试验的可靠性增加。除此之外，右利手和左利手群体运动、本体感觉和语言网络等存在连接差异模式，我们在本研究中选取了右利手患者与志愿者作为受试者。再者，受限于PD 患者扫描期间的配合程度，我们纳入了认知功能正常或者轻度认知功能障碍的PD患者，保证了该试验的顺利完成。

3.1 健康志愿者四肢联动时脑功能激活区

本研究结果显示，健康志愿者在做四肢联动运动时，双侧SM1、左侧SMA、右侧丘脑、右侧脑岛、左侧颞上回及左侧顶下小叶显著激活。我们的研究结果跟以往的研究结果一致[6]。SM1主要位于中央前回，是感觉运动功能网络的高级控制中枢，在注意力、运动学习、运动巩固、运动抑制、体动反应和运动意象中起着关键作用。SMA位于布罗德曼6区（Brodmann6）的上方中部，主要位于扣带回前部到中央前沟区域，是运动规划和执行的关键结构，参与运动的学习、计划、预备、启动、产生等。丘脑是感觉的高级中枢，是最重要的感觉传导接替站[7-9]。除嗅觉外，来自全身各种感觉的传导通路均在丘脑内更换神经元，然后投射到大脑皮质。岛叶位于大脑外侧沟深处，参与处理传入大脑的内脏感觉、内脏运动、前庭觉、注意、疼痛、情绪、语言、运动等[10-13]。颞上回是听觉的皮层中枢，颞上回后部是感觉性语言中枢[14]。顶下小叶主要负责协调精细运动[15]。上述这些大脑区域涉及运动任务，本体感觉过程，复杂协调任务的计划以及本体感觉无意识方面的协调[16]。

3.2 PD患者较健康志愿者激活减弱脑区

与健康志愿者相比，PD 患者做四肢联动运动时，脑激活的范围与强度有所差异。这其中PD患者的左侧SMA、右侧岛叶及左侧颞上回的激活强度比健康志愿者明显减弱。PD目前的致病原因尚不完全清楚，但是通常被广泛认可的病理学机制是路易体沉积导致黑质多巴胺神经元凋亡所致[17]。在探究PD的过程中，纹状体-丘脑-皮层环路（striatal-thalamo-cortical loop, STC loop）的功能异常逐渐被接受[18]。本研究健康志愿者丘脑显著激活，而PD 患者丘脑未激活一定程度上验证了STC loop 受损的理论（丘脑），也同既往静息态fMRI 的研究结果一致[19-20]。此外，STC loop 中，SMA 通过丘脑连接大脑基底节区。SMA 的激活在PD 患者中显著减弱亦能证实STC loop 受损这一理论。研究表明，STC loop 中包括了直接通路与间接通路，且两类通路之间相互作用。其中，直接调节通路表现为：黑质致密部（substantia nigra pars compacta, SNpc）释放多巴胺，并作用于纹状体D1 受体，从而直接抑制苍白球内侧区（internal globus pallidus, Gpi）与SNpr 间的活动。而间接通路表现为：多巴胺与D2 受体结合，对Gpi 产生抑制作用，进而经丘脑底核产生Gpi-SNpr 抑制效果[21-23]。最终，二者共同作用导致Gpi-SNpr 对丘脑的抑制减少，使运动皮层的激活及运动活动增加[24-25]。PD患者的黑质多巴胺神经元缺失，导致相应通路变性，进而造成PD 患者的行动迟缓，行动障碍及体态不稳等症状[26]。本研究PD 患者丘脑及SMA 区相应大脑活动的减弱，与上述理论基础吻合。

3.3 PD患者较健康志愿者激活增强脑区

与健康志愿者相比，PD 患者做四肢联动运动时右侧SM1 额激活强度比健康志愿者显著增强。四肢联动任务可有效增强PD患者上下肢的力量和躯干的肌肉力量，改变患者由于疾病导致的不良姿势及体态[27-29]。本研究结果显示，在经过四肢联动训练后，PD 患者的SM1 区相对健康志愿者，呈现显著增强的趋势，这一结果与YU 等[30]的结果一致。这表明，四肢联动能代偿性地改善运动皮层的功能。此外，UNDERWOOD 等[31]从神经刺激（经颅磁刺激、深度脑刺激）及神经电生理（经颅直流电刺激）的角度，进一步证明了SM1 区可作为改善PD 患者疾病程度的靶向脑区。

此外，尽管本研究结合四肢联动训练及任务态fMRI揭示了SM1的代偿性功能，但仍然存在一定的局限性。首先，受限于PD患者在扫描期间的配合程度，本研究纳入的被试数量较少。后续研究需要进一步扩大样本量，同时进行亚组区分，进一步深化对代偿机制的讨论。其次，我们在本研究中没有对PD 患者进行动态观察，在以后的研究中将在不同的时间点采集影像学与临床数据，纵向观察四肢联动训练对PD 患者的远期影响。最后，随着MRI 技术的不断发展，多模态影像学研究（如代谢技术，灌注技术等）越来越多地用于PD 的研究[32-35]。后续研究可结合分子影像技术、形态学分析等方法进一步探索PD 的病理学机制。

4 结论

综上所述，本研究利用四肢联动训练结合任务态fMRI，观察到PD 患者初级运动功能区功能的代偿性增强，这对PD患者康复治疗具有理论指导意义。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：帕力丹木·吾买尔、阿里木江·阿卜杜凯尤木参与选题和设计；帕力丹木·吾买尔和艾洁尔古丽·麦合苏木对试验结果进行了分析，撰写论文并进行修改；阿里木江·阿卜杜凯尤木和维克拉木江·祖农采集数据并进行分析；戴国朝参与选题并对论文进行了审阅和指导，对稿件重要内容进行了修改；帕力丹木·吾买尔获得了新疆维吾尔自治区自然科学基金的资助；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。