脊髓损伤后大脑网络连接变化的功能MRI研究进展

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查看879 | 回复0 | 2018-4-21 16:43:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
作者:陈乾,陈楠,李坤成,首都医科大学宣武医院放射科
       明确脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)后感觉运动功能障碍及其潜在恢复能力的机制是其治疗决策的关键因素。目前研究发现:因为脊髓结构完整性以及脊髓与大脑间双向通信流中断,SCI可导致脑结构和功能的重塑,这种功能重塑不仅能促进患者的感觉运动功能恢复,亦可导致严重的病理损害如神经性疼痛、幻肢觉等,功能重塑的双向机制尚不清楚。
       静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)利用对磁化率敏感的快速高分辨梯度回波的MRI技术,可以检测中枢神经系统在静止状态时,不同脑区的低频活动,并通过分析低频活动的相关程度来推断神经网络连接的状态,已在神经和认知科学的研究中得到广泛应用,也对脊髓损伤后脑功能重塑的研究起到重要作用。本文对静息态功能磁共振成像技术在脊髓损伤后脑功能(脑网络连接)的研究现状进行综述,旨在揭示脊髓损伤后脑功能重塑的可能机制。
1.脊髓损伤后运动、感觉网络内及网络间功能连接的变化
       脊髓损伤后大脑会发生功能重塑,表现为脑内局部区域一致性(ReHo)、低频震荡振幅(ALFF)以及功能连接(FC)等改变。目前,脊髓损伤后脑网络功能连接的研究多关注于运动网络内或者感觉运动网络间的改变。如Hou等研究者先对25个SCI患者行全脑ALFF分析,再以ALFF的结果作为种子点,做全脑的FC分析,结果显示,大脑半球内运动网络内FC增强,而双侧大脑半球间初级运动皮层间的FC减弱,作者推测大脑半球间FC的异常变化,可能是由于大脑运动区域间的失同步化效应以及脊髓传入传出通路的中断而导致大脑半球间信息传输及整合效率降低所致;而大脑半球内运动网络FC的异常变化则可能与新的轴突出芽生长形成新的网络连接有关。
       脊髓损伤后不仅运动网络连接会发生改变,运动感觉网络也会发生异常改变,如Oni-Orisan等采集11个SCI患者的静息态fMRI数据,选取S1区和M1区作为种子点做全脑的功能连接,结果表明:与正常对照组比较,与运动相关大脑皮层间(即运动网络内)的FC减低,与感觉相关大脑皮层间(即感觉网络内)FC亦减低,揭示出脊髓损伤后大脑的动态功能重组。而Min等先选取M1作为种子点进行SCI患者与正常对照组的组间分析,再以组间差异的结果作为种子点进行全脑FC分析,结果表明,运动网络内各成分间连接增强,感觉网络内各成分间的连接减弱,Min认为前者可能是一种代偿,而后者则是可能是由于感觉传入的减少所致,并且认为脊髓损伤后感觉网络内连接的减弱的原因要么可能是逆行性退变所致的皮层萎缩,要么可能是损伤平面以下感觉丧失区域新生血管的减少。
       有研究表明,脊髓损伤后的康复治疗对运动、感觉网络连接具有明显的影响作用。如Rao等以恒河猴作为研究对象纵向观察SCI后大脑的感觉运动网络功能连接的变化,以及功能连接改变与康复训练之间的相关性,结果发现与运动控制相关的脑区间功能连接强度增高,而与感觉相关的顶枕叶部分脑区间功能连接强度减低,并且与运动调节密切相关的脑区间FC值与康复训练的步伐高度呈负相关,表明SCI会导致感觉运动网络出现明显的功能重塑,其网络功能连接会表现出一种“调节-恢复”的状态。不仅在动物模型上,康复训练后SCI患者也会表现出大脑某些区域FC的异常改变。
       有报道,对于行功能训练的不完全脊髓损伤患者,功能受损较少一侧肢体的FC值升高,表明功能训练短时间内即会使患者大脑出现功能重塑,对其功能恢复具有重要意义。而Hou等另一项关于SCI后FC改变的研究则表明网络连接的改变与预后有着密切的关系:预后较差的患者,运动网络内S1与辅助运动区(SMA)及运动前区FC降低,而预后较好者则相反,以上所有研究均表明,SCI会导致大脑出现功能重塑,且多表现为感觉、运动网络内或网络间连接的改变,并与患者感觉运动功能障碍及损伤后康复治疗等有着密切关系。为脊髓损伤后感觉运动功能障碍机制研究及寻找新的干预治疗措施提供了可能的突破口。
2.脊髓损伤后运动感觉网络与其他脑网络间及其他网络间功能连接的变化
       SCI不仅导致感觉运动网络内FC的改变,还会出现感觉运动网络与其他大脑网络间FC的改变。如Choe等对1名恢复良好的慢性颈段SCI患者进行了结构和功能的的多模态影像学研究,观察患者静息态脑网络功能连接的变化,结果显示感觉运动网络与视觉网络之间的功能连接明显增强,他们认为出现这一情况可能的原因是病人下肢丧失感觉功能,因而严重依赖视觉来指导下肢的运动任务,即SCI所致的感觉传入丧失促使大脑出现代偿性改变;或者是患者在脊髓损伤之前已出现了二者功能连接的增强,而这有可能正是SCI后患者出现感觉运动恢复的重要原因。研究者还发现,不仅感觉运动网络与其他网络之间FC出现变化,其他网络间FC亦可出现明显变化,如患者双侧执行网络间FC减低,左侧执行网络与其他非感觉运动网络间FC增强,视觉网络与默认网络之间的FC增强,表明患者感觉运动功能的不对称恢复,这可能是大脑的一种代偿机制。
       Min Y等通过图论的方法研究脑网络功能连接的变化,发现SCI患者到任意网络的特征路径长度明显高于对照组,而其他网络特征与正常对照组相比,没有明显统计学差异,表明SCI后大脑信息处理的改变,但其具体变化及机制仍有待进一步研究。
3.脊髓损伤后与疼痛相关网络功能连接的变化
       SCI后许多患者会出现神经病理性疼痛,一些研究认为与丘脑的异常有明显相关性,Seminowicz等用动物模型纵向的研究脊髓损伤后疼痛与丘脑皮层活动的关系。他们选取了14只大鼠,8只经手术在C2~T2之间行脊髓半切,做成脊髓损伤动物模型,6只行假手术作为对照组,分别采集了他们术前,术后3天,7天,14天及21天的静息态fMRI数据,并基于Paxinos和Watson于1998年提出的脑区模板,选择丘脑外侧腹后核(VPL)及初级躯体感觉区(S1)作为种子点,进行全脑的功能连接分析。
       他们发现,脊髓损伤后7天大鼠VPL与S1之间的功能连接减低,S1与疼痛有关脑区的功能连接增强,损伤后的7天和14天,VPL与对侧丘脑的功能连接增强。在同一动物模型上丘脑之间以及其他脑区皮层(特别是S1和压后皮层)之间的FC增加的时间模式与SCI后损伤平面以下出现痛觉过敏的时间模式具有明显的相似性。因此,研究者认为脊髓损伤后疼痛可能是由于丘脑与其他脑区功能失连接(即不同步性)所致的。
4.小结与展望
       综上所述,目前有关脊髓损伤后静息态脑网络功能连接的研究结果均表明,SCI会导致脑功能重塑,可表现为Re-Ho、ALFF及FC等指标的改变,出现脑网络连接的异常改变,且多位于运动感觉网络或与运动感觉相关的网络,这种改变可能与损伤感觉运动功能障碍,甚至病理性疼痛有着密切的关系;也与感觉运动的恢复,与大脑控制力的重建有关系,但由于受到研究样本量、损伤程度、损伤时间及损伤节段等多种因素的影响,其机制仍不明确。Rs-fMRI作为一种无创、可重复的方法有助于在体、直观地反映脑的功能活动,将有助于对SCI脑功能重塑,脑网络改变有更深入的认识,尽可能阐明其发生发展的机制,为治疗及预后判断提供指导意见。
       今后的研究应该将患者按照损伤节段、损伤程度,损伤类型,损伤时间进行分类,结构与功能研究相结合,以结构改变为基础进行FC分析,结构网络与功能网络相结合,还可以对于脑网络进行hub区域的分析,找到与病变相关的关键节点,为治疗及康复训练找到新的途径,提高患者的生活质量。
来源:陈乾,陈楠,李坤成.脊髓损伤后大脑网络连接变化的功能MRI研究进展[J].医学影像学杂志,2017(12):2399-2401.

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