低位脊髓功能MRI的研究進展

賈巖龍，沈智威，聶婷婷，章桃，延根，吳仁華,2*

功能MRI(fMRI)技術作為一種非侵入性神經影像工具，能夠無創地對神經元活動進行較準確的定位，且具有較高的空間和時間分辨率等優勢，近年來廣泛應用于腦神經科學的基礎研究。脊髓作為中樞神經系統的組成部分，其內神經元活動導致的一系列生理活動，理論上也應可以進行功能成像。自從1996年Yoshizawa等[1]首次證明了脊髓fMRI的可行性和有效性后，脊髓fMRI的研究也逐步開展。然而，與腦功能成像相比，脊髓由于形態細長、腦脊液搏動、呼吸、心血管循環及周圍組織結構的影響，使其相關功能研究深受技術的制約，尤其在低位脊髓方面的研究更少。盡管如此，最近十幾年來，伴隨著MRI技術的發展，關于脊髓fMRI的研究亦取得了明顯的進步[2]。筆者就脊髓功能成像原理、動物低位脊髓fMRI研究、不同刺激模式在人類低位脊髓fMRI研究、穴位刺激在低位脊髓fMRI研究及脊髓fMRI目前取得的成果、存在問題、發展前景等方面做如下綜述。

1 脊髓fMRI成像原理

1.1 血氧水平依賴效應的fMRI (blood oxygenation level dependent fMRI，BOLD-fMRI)

BOLD-fMRI最早是由美國貝爾實驗室提出基于腦功能MR的研究，其利用神經元興奮活動與血流動力學間存在的密切關系，快速顯示興奮的神經元與非興奮神經元間的信號差異。脊髓BOLD-fMRI是利用脊髓灰質內局部神經元活動時，局部氧耗量增加，引起局部血流量增加，而血容量相對不變。也就是說，神經活動使氧利用率增加的同時，血流量的增加更為顯著，灰質組織內輸送更多的富含氧的血液。升高的氧合血紅蛋白量和升高的血流量共同作用導致脫氧血紅蛋白量相對減低，從而增加了T2*WI上神經活動區域的信號強度。脫氧血紅蛋白是順磁性物質，可縮短T2*弛豫時間。氧合血紅蛋白是輕度的逆磁性物質，可使T2*值延長。當神經元活動增強時，脊髓灰質的血流顯著增加，脫氧血紅蛋白的含量相對減低，導致T2*WI信號增強，即T2*WI信號能反映局部神經元活動，這就是基于血氧水平依賴的BOLD效應。

1.2 血管外質子增強fMRI(signal enhancement by extra-vascular protons fMRI，SEEP-fMRI)

Stroman等[3]認為神經興奮區血流量增加，血管內壓力升高，導致局部興奮組織周圍的細胞外液輕微增加，進而導致質子信號增強。脊髓SEEP-fMRI主要是利用激活區神經組織附近血管外水質子水平的改變導致信號的變化，即在脊髓局部灰質血流量增加時，血管內壓力也隨之增高，尤其是動脈旁毛細血管系統，這種壓力的變化加快了跨血管外運動，導致激活區神經組織水質子水平的提高。BOLD與SEEP兩者研究結果比較，后者的功能激活區鄰近于前者激活區，兩者甚少重疊，表明兩者均可以應用到脊髓fMRI研究。然而，BOLD效應過重依賴于場強和回波時間，在低場強和短TE下，這種效應甚至可以被忽略。基于上述SEEP效應，脊髓fMRI 完全可以采用SE序列質子加權成像，在短的弛豫時間內獲得高的圖像質量，且對磁場的不均勻性敏感性較低。如，Ng等[4]在0.2 T場強下使用FSE序列質子加權成像進行脊髓fMRI研究，屏除了BOLD效應，獲得了質子密度變化的功能激活圖。

另外，SEEP與BOLD比較，SEEP更有優勢，它可以更好地進行神經元活動空間定位，有更高的信噪比(contrast to noise ratio，CNR)，對磁場不均勻性的敏感性更低，可用來研究脊髓損傷患者的功能區變化，這一點對于針刺研究來說很有意義。因此，用脊髓SEEP-fMRI技術對研究神經針刺的全程走形來說非常重要[5]。

2 動物低位脊髓fMRI研究

眾所周知，腦和脊髓的血流動力學反應是不同的。如，位于脊髓內的神經遞質P物質有擴血管作用，可以引起血流量和血容量的增加。然而，在大腦皮層P物質引起的擴管作用很弱。因此，把腦fMRI的觀察指標及參考值運用到脊髓fMRI上并不完全可靠。為了更好的理解脊髓fMRI對不同刺激類型引起激活的敏感性，必需在動物模型上系統研究fMRI的信號來源及潛在局限性。Zhao等[6]用BOLD及BVW(blood volume-weighted)兩種fMRI技術對無害和有害電刺激大鼠下肢引起的低位脊髓神經活動進行功能成像，結果表明BOLD及BVW均觀察到有害刺激引起的激活信號。然而，兩者均對無害刺激引起的激活信號不敏感。Malisza等[7]應用9.4 T對大鼠下肢或踝關節處注射辣椒素引起的腰髓內神經活動進行功能成像，結果表明位于同側脊髓T13～L2椎體水平(相當于L3～6和S1脊髓節段水平)觀察到明顯激活存在，其結果與先前對大鼠下肢施加有害刺激，位于L4～5節段同側脊髓灰質后角(第I～II，V～VI)觀察到的明顯神經活動一致[8]。

關于動物脊髓損傷方面的低位脊髓fMRI研究亦有報道，Endo等[9]在不同時間段3、7、14 d和1、3、6個月，用不同電刺激強度：0.5、1.0、1.5、2.0 mA刺激完全SCI ( T9) 大鼠的左后肢，觀察損傷遠端脊髓內神經活動的變化。結果顯示：位于脊髓損傷平面以下的脊髓灰質背側區激活顯著增加；SCI大鼠接受0.5 mA 電流刺激時能引起明顯激活，而正常大鼠則不能; 1.0 mA 電流刺激引起的活化體積顯著增加，但1.5 mA 及2.0 mA 電流刺激所引起的活化體積與正常組相比無統計學意義。Majcher等[10]在刺激大鼠后肢時，位于腰髓灰質背側區均檢測到fMRI信號存在，當離斷連接脊髓的L3神經時，檢測到相應部位部分激活減少，當再次離斷L4神經時，相應部位激活進一步減少。重度神經離斷后MRI信號強度變化時序圖中幅度減低進一步證明了刺激下肢引發的神經活動減低，其結果與之前Jou[11]研究的離斷單個神經根后，刺激神經或經皮刺激引起的相應脊髓節段軀體感覺減低相一致。Lawrence等[12]對大鼠的前、后肢行有害性電刺激并進行脊髓fMRI掃描，應用C-fos標記染色對fMRI提示的神經激活區組織進行免疫組化檢測，結果發現圖像激活區與實際脊髓組織有很好的對應性。另外，Lilja等[13]研究亦表明：刺激一側后肢，激活主要位于同側脊髓灰質背側，對側亦出現少量激活；當刺激對側下肢時，激活區位置出現翻轉現象；且隨著刺激強度的增加，信號強度變化在一定范圍內呈正相關性。

3 不同刺激模式在人類低位脊髓fMRI研究

脊髓fMRI研究中所使用的刺激方法主要分為感覺刺激和運動刺激。感覺刺激主要涉及化學刺激、冷熱刺激、電刺激等方面。化學刺激如注射辣椒素、福爾馬林引起的脊髓內信號變化主要應用于動物研究，且誘發的刺激強度、頻率不易量化。另外，冷熱刺激誘發的刺激強度、頻率亦達不到量化。電刺激由于操作簡單、刺激強度及頻率容易量化，使其特別適合脊髓fMRI定量方面的研究分析。運動刺激主要包括局部肌肉的主動和被動運動，從而誘發脊髓內信號的變化。由于電生理學研究已表明：感覺刺激主要通過皮膚感覺感受器，經脊神經后根的傳入神經傳至脊髓灰質背側區的感覺神經元進行交換神經元；運動刺激通過皮膚運動感受器，經脊神經前根傳至脊髓灰質腹側區的運動神經元進行交換神經元。因此，理論上在相應脊髓節段灰質內應觀察到不同刺激模式誘發的神經活動存在。現就近年來，關于不同刺激模式在人類低位脊髓fMRI方面的研究介紹如下。

3.1 感覺刺激在正常志愿者低位脊髓fMRI研究

研究表明，感覺刺激特定區域可以在脊髓相應解剖位置引起信號的改變，且刺激強度與功能MR所反映的脊髓內信號改變在一定范圍內呈正相關。如，Stroman[14]通過對七個不同的研究組實驗比較，發現在人類脊髓觀察到的信號變化與刺激模式及相應的脊髓解剖區域具有良好的對應關系。刺激手及前臂觀察到頸髓內信號的變化與相應的神經解剖區域一致，類似刺激下肢的感覺研究亦表明激活區的信號變化與相應的脊髓神經解剖區域一致[15]。Stroman等[15]在1.5 T磁共振下使用SEEP-fMRI成像對15名健康志愿者小腿內側腓腸肌區(L4皮神經支配)給予不同溫度刺激，觀察低位脊髓內信號強度變化，其結果與文獻報道的脊髓電生理結構和神經活動存在明顯的相關性。結果顯示：在低位脊髓節段脊髓灰質同側后角(第I～V細胞層)觀察到激活存在，其與感覺傳入神經路徑一致。脊髓灰質前角(第Ⅸ細胞層)同樣可以觀察到激活，可能是前角運動神經元對感覺刺激負反射的結果所致，且激活信號增加值與刺激溫度高低相關，29°C時信號強度變化約(2.6±1.1)%，15°C時為(3.2±0.5)%，10°C時為(7.0±0.9)%。

3.2 感覺刺激在脊髓損傷患者低位脊髓fMRI研究

最近，低位脊髓fMRI也開始應用到脊髓損傷(SCI)方面的研究。脊髓損傷后評價分兩方面：解剖結構的改變和功能評價。研究者們試圖在脊髓損傷后解剖結構的改變和功能的變化之間找到某種聯系。Stroman等[15]對完全和不完全SCI患者的L4神經支配區進行溫度刺激，獲得低位脊髓功能圖，其結果顯示：在脊髓損傷水平以下的信號強度(7.2±1.5)%，與同等溫度刺激正常人后相應脊髓內的信號強度(6.6±0.9)%相似，但兩者在低位脊髓激活的空間分布不同，SCI患者同側脊髓灰質后角和中間帶激活減弱或消失，而對側脊髓灰質區激活更加明顯，并認為SCI患者脊髓激活空間分布的改變可能反應了對側脊髓灰質失去高位中樞的抑制作用所致。Stroman等[16]在另一實驗中，亦使用1.5 T磁共振SEEP-fMRI成像對27例脊髓損傷患者(18例為完全損傷，9例為不完全損傷)使用10℃低溫有害刺激患者的小腿內側(L4神經支配區)，獲得整個腰髓的功能圖，其結果顯示：與健康志愿者對比，完全脊髓損傷時同側脊髓灰質后角的激活信號減弱，同側及對側脊髓灰質前角激活明顯增加；不完全脊髓損傷時同側脊髓灰質后角激活減弱，同側及對側脊髓灰質前角的激活與健康志愿者相似或略減弱；不完全脊髓損傷患者與完全脊髓損傷患者相比，后者脊髓內信號減少更加明顯。另外，在對刺激沒有感覺的脊髓損傷患者中，仍能在腰髓內觀察到激活信號的存在[15-16]。因此，脊髓fMRI作為一個非創傷性工具，可以對脊髓損傷進行評估，其不依賴于患者對感覺刺激的程度。

3.3 運動刺激在正常志愿者低位脊髓fMRI研究

研究表明，上、下肢的局部肌肉運動可以引起相應脊髓節段內的神經活動。Kornelsen等[17]首個在1.5 T磁共振下使用SEEP-fMRI研究下肢運動時腰髓內的信號變化，結果顯示：主動活動踝關節時位于腰髓的運動和感覺功能區均觀察到激活(如，位于S2～3脊髓節段灰質左側腹側區及背側區、L5脊髓節段灰質雙側腹側區、L1～4脊髓節段灰質雙側腹側及背側區，其中激活增加主要位于高位脊髓節段L1～2水平)，平均信號強度變化約(11.9±1.0)%；被動活動踝關節時，位于低位腰髓節段灰質的中央區和背側區，以及高位腰髓節段灰質的腹側區觀察到激活(如，位于S2～3脊髓節段灰質雙側背側區、L4脊髓節段灰質右側腹側區及中央區、L1～3脊髓節段灰質兩側腹側區，其中激活增加主要位于L1水平)，平均信號強度變化約(12.4±1.1)%。無論主動運動或被動運動時，位于高位脊髓節段觀察到的激活均較低位脊髓節段水平的多。脊髓fMRI探測到的信號特征與已知的生理解剖結構一致，進而證明了脊髓fMRI可以對下肢運動引起的腰髓內信號變化進行可靠評價。

3.4 運動刺激在脊髓損傷患者低位腰髓fMRI的研究

隨著醫療技術的進步、疾病認識態度的轉變及新藥物的研究，脊髓損傷后脊髓功能的修復成為一種可能[18]。有關運動刺激治療脊髓損傷患者的脊髓fMRI研究報道較少。Kornelsen等[19]在1.5 T磁共振下使用SEEP-fMRI研究了12例脊髓損傷患者(頸段或胸段)運動下肢時低位脊髓內的神經活動情況，結果顯示：(1)無論損傷程度如何，在患者主動、被動運動踝關節時脊髓損傷的尾端均有SEEP信號的改變，且被動運動時相應脊髓區內信號強度變化(15.0±2.8)%較主動運動時的信號強度變化(13.6±1.5)%稍大，其結果與之前健康志愿者下肢運動時相應腰髓內信號強度變化相似；(2)與之前健康對照組相比，脊髓損傷患者相應脊髓內激活體素數量較正常志愿者少；(3)ASIA-A(感覺和運動覺均消失)患者被動運動時位于相應脊髓節段灰質雙側腹側及背側區觀察到激活； ASIAB(感覺保留，運動覺消失)患者被動運動時亦獲得類似的結果；ASIA-C(輕微的運動覺保留)患者主動運動時激活區主要位于相應脊髓節段灰質的雙側腹側區，而被動運動時大部分激活區主要位于相應脊髓節段灰質背側區，少部分激活位于腹側區；ASIA-D(足夠運動覺保留)患者主動運動時，右下肢功能良好的患者激活主要位于脊髓灰質左側背側區，被動運動時激活主要位于脊髓灰質雙側腹側區和背側區，且右側激活較少。由此可見，脊髓fMRI能可靠而準確地對脊髓損傷進行評估，且具有重要的臨床指導意義。

4 穴位刺激在低位脊髓fMRI研究

針灸學是傳統中國醫學的精華之一，也是中華民族的寶貴文化遺產，在我國已有數千年的臨床實踐積累，其優勢集中體現在治療各種疼痛疾病、慢性病、功能障礙性疾病等方面所發揮的作用，是其他傳統醫學以及現代醫學所不能取代的[20]。然而，由于缺乏臨床對比研究的直接科學理論支持，針灸學的生理機制尚未被闡明，且不能用現代醫學的理論解釋針灸原理。因此，許多人對針灸的確切療效、科學性持懷疑態度。現代醫學以及神經成像方法的飛速發展為我們探尋針灸生理機制打開了一扇窗口。目前，關于穴位刺激的腦fMRI研究已很多，穴位刺激的頸髓fMRI研究亦有報道[21]，且腦-腦干-頸髓方面的連通性研究也已展開。然而，穴位刺激在低位脊髓方面的功能磁共振研究目前尚未見報道，是今后研究的一個方向。從而為研究針灸通過穴位-脊髓-腦等整個傳導通路的作用機制提供科學依據。

5 脊髓fMRI目前主要研究成果、存在問題及發展前景

脊髓fMRI的研究仍是一個較新的領域，且處于起步階段，其技術的成熟應用尚需更多更深入的研究，但目前可得出的結論有：(1)當前條件下可以可靠地獲得較清晰的脊髓fMRI信號圖像；(2)刺激的強度與功能MR所反映的脊髓內信號改變在一定范圍內呈正相關；(3)溫、痛覺刺激、上肢或下肢局部肌肉的運動均可在相應脊髓內獲得明確定位[7，22]。當然，脊髓fMRI成像也面臨一些難題：(1)需要進一步證明脊髓fMRI的可重復性和可靠性；(2)脊髓易受呼吸、心跳、肢體運動等方面的影響，如果圖像配準效果不好，易導致激活信號疊加至錯誤位置；(3)脊髓的橫截面積很小，即使最大的頸髓膨大處直徑才約16 mm，另外，脊髓中央有中腦導水管通過，周圍有腦脊液環繞，在臨床1.5 T磁共振條件下需要更高的空間分辨率，才能獲得較清晰的圖像；(4)椎體及椎間盤的空間交替導致局部磁場不均勻，從而干擾血氧水平依賴的信號；(5)不同的成像設備、參數的選擇、刺激模式、統計學分析方法及圖像后期處理等方面均可影響實驗結果。盡管，脊髓fMRI有上述的不足，但隨著MR硬件和軟件的開發，MR新序列的應用，MR成像時間會越來越短，圖像質量不斷提高，且技術將會更為成熟。目前，脊髓fMRI已經在動物實驗、臨床基礎研究中得到初步應用，并可以有效的對脊髓損傷防護或修復進行評價，同時也應用到鎮疼藥物等方面的研究[13]。另外，脊髓fMRI關于糖尿病早期病變的髓內功能變化[23]、中風后下肢偏癱患者臨床治療后評價等方面的研究也逐步展開。因此，運用脊髓fMRI探索脊髓生理病理、評價脊髓功能、指導臨床治療及療效檢測等具有廣闊的應用前景，也是目前研究工作的最終目標。

[References]

[1]Yoshizawa T, Nose T, Moore GJ, et al.Functional magnetic resonance imaging of motor activation in the human cervical spinal cord.NeuroImage, 1996, 4(3):174-182.

[2]Harel NY, Strittmatter SM.Functional MRI and other non-invasive imaging technologies: Providing visual biomarkers for spinal cord structure and function after injury.Exp Neurol, 2008, 211(2): 324-328.

[3]Stroman P, Krause V, Malisza K, et al.Extravascular proton‐density changes as a non- BOLD component of contrast in fMRI of the human spinal cord.Magn Reson Med, 2002, 48(1): 122-127.

[4]Ng MC, Wong KK, Li G, et al.Proton-density-weighted spinal fMRI with sensorimotor stimulation at 0.2 T.NeuroImage, 2006, 29(3):995-999.

[5]Dai JP, Shen HC, Li SW.MR pulse sequences in the central nervous system: part II.Chin J Magn Reson Imaging, 2010, 1(4): 305-310.戴建平, 沈慧聰, 李少武.磁共振脈沖序列在中樞神經系統中的應用(二).磁共振成像, 2010, 1(4): 305-310.

[6]Zhao F, Williams M, Meng X, et al. BOLD and blood volumeweighted fMRI of rat lumbar spinal cord during non-noxious and noxious electrical hindpaw stimulation.NeuroImage, 2008, 40(1):133-147.

[7]Malisza KL, Stroman PW, Turner A, et al.Functional MRI of the rat lumbar spinal cord involving painful stimulation and the effect of peripheral joint mobilization.J Magn Reson Imaging, 2003, 18(2):152-159.

[8]Buritova J, Besson JM.Effects of fl urbiprofen and its enantiomers on the spinal c-Fos protein expression induced by noxious heat stimuli in the anaesthetized rat.Eur J Pharmacol, 2000, 406(1): 59-67.

[9]Endo T, Spenger C, Westman E, et al.Reorganization of sensory processing below the level of spinal cord injury as revealed by fMRI.Exp Neurol, 2008, 209(1): 155-160.

[10]Majcher K, Tomanek B, Tuor UI, et al.Functional magnetic resonance imaging within the rat spinal cord following peripheral nerve injury.NeuroImage, 2007, 38(4): 669-676.

[11]Jou IM.The effects from lumbar nerve root transection in rats on spinal somatosensory and motor-evoked potentials.Spine, 2004, 29(2):147-155.

[12]Lawrence J, Stroman PW, Bascaramurty S, et al.Correlation of functional activation in the rat spinal cord with neuronal activation detected by immunohistochemistry.NeuroImage, 2004, 22(4):1802-1807.

[13]Lilja J, Endo T, Hofstetter C, et al.Blood oxygenation level-dependent visualization of synaptic relay stations of sensory pathways along the neuroaxis in response to graded sensory stimulation of a limb.J Neurosci, 2006, 26(23): 6330-6336.

[14]Stroman PW.Magnetic resonance imaging of neuronal function in the spinal cord: spinal FMRI.Clin Med Res, 2005, 3(3): 146-156.

[15]Stroman P, Tomanek B, Krause V, et al.Mapping of neuronal function in the healthy and injured human spinal cord with spinal fMRI.NeuroImage, 2002, 17(4): 1854-1860.

[16]Stroman P, Kornelsen J, Bergman A, et al.Noninvasive assessment of the injured human spinal cord by means of functional magnetic resonance imaging.Spinal cord, 2004, 42(2): 59-66.

[17]Kornelsen J, Stroman P.fMRI of the lumbar spinal cord during a lower limb motor task.Magn Reson Med, 2004, 52(2): 411-414.

[18]Borgens RB.Restoring function to the injured human spinal cord.Adv Anat Embryol Cell Biol, 2002, 171(III-IV): 1-155.

[19]Kornelsen J, Stroman P.Detection of the neuronal activity occurring caudal to the site of spinal cord injury that is elicited during lower limb movement tasks.Spinal cord, 2007, 45(7): 485-490.

[20]Bell EC, Willson MC, Wilman AH, et al.Differential effects of chronic lithium and valproate on brain activation in healthy volunteers.Hum Psycho Pharm Clin, 2005, 20(6): 415-424.

[21]Chen YX, Shen ZW, Xie YY, et al.Feasibility of fMRI of the human cervical spinal cord using electrical acupoints stimulation.Chin J Magn Reson Imaging, 2010, 1(6): 438-441.陳業晞, 沈智威, 肖葉玉, 等.電針刺激穴位的脊髓fMRI初步研究.磁共振成像, 2010, 1(6): 438-441.

[22]Govers N, Beghin J, Van Goethem J, et al.Functional MRI of the cervical spinal cord on 1.5 T with fi ngertapping: to what extent is it feasible? Neuroradiology, 2007, 49(1): 73-81.

[23]Malisza KL, Jones C, Gruwel ML, et al.Functional magnetic resonance imaging of the spinal cord during sensory stimulation in diabetic rats.J Magn Reson Imaging, 2009, 30(2): 271-276.