兒童屈光參差性弱視立體視覺中樞區激活的fMRI遠期研究

李 陽,燕振國,曹 虹,楊 磊,馬強華

兒童屈光參差性弱視立體視覺中樞區激活的fMRI遠期研究

李 陽1,2,燕振國2,曹 虹2,楊 磊2,馬強華3

作者單位:1(730000)中國甘肅省蘭州市,蘭州大學第二臨床醫學院;(730050)中國甘肅省蘭州市,蘭州軍區蘭州總醫院2眼科中心;3核磁診斷中心

目的:運用血氧水平依賴性功能核磁共振成像技術(BOLD-functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)階段性評價屈光參差性弱視兒童在規范弱視訓練后視皮質相關功能區激活情況。

兒童;屈光參差;弱視;功能磁共振成像;立體視覺

引用:李陽,燕振國,曹虹,等.兒童屈光參差性弱視立體視覺中樞區激活的fMRI遠期研究.國際眼科雜志2015;15(11): 1980-1983

0 引言

在神經系統發育過程中,存在一段對外界環境刺激非常敏感的階段,此階段稱為關鍵期(critical period)。運用縫合幼貓單眼的方式研究得出,對于視皮層神經元改變最大的是在出生后4～8wk,隨著年齡增長,這種變化會逐漸減弱。至成年時,縫合貓單眼不會對視皮層神經元造成損害[1]。現弱視治療集中于以遮蓋療法為主的綜合治療,但由于視覺系統發育的關鍵期影響,弱視治療與患者就診時間、治療規范程度、治療時間都有密切關系,但在治療時間的終止點上并沒有明確規定,本試驗規律隨訪患兒并對其進行fMRI掃描,以期能在視中樞水平上探知弱視治療終止點,并為業內同行提供參考。血氧水平依賴性功能核磁共振成像技術(BOLD-functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)基于血管內氧合血紅蛋白濃度變化,無創、立體地反映活體大腦的功能,從整體水平了解弱視腦功能損害特點,為弱視治療后腦功能變化提供依據[2]。

1 對象和方法

1.1 對象初診年齡4～12歲屈光參差性弱視兒童13例,男6例,女7例,平均年齡7.3±2.5歲。由于在之前先期試驗研究的11例患兒中有1例失訪,故在此次試驗過程中新納入3例患兒,此3例患兒均為在我院眼科門診進行規范弱視治療24mo時納入的中度屈光參差性弱視患者(患兒驗光及配鏡均由我院眼科同一位驗光師進行),依弱視診斷新標準將13例患者分為兩組(4～7歲組、8～12歲組)。納入對象均為遠視性弱視,中心凹注視;右利手;屈光參差在3.00～6.00D范圍內;檢查所有患兒眼位、前節、眼底未見異常,中心視野無缺損;無其他嚴重眼部器質性病變及神經系統疾患;磁共振檢查排除由視網膜至外膝體疾病,無全身其他疾病史。依據倫理委員會規定,患者監護人均簽署了試驗書面知情同意書。

納入標準:按照兒童弱視診斷新標準[3],初診的未經配鏡矯正的屈光參差性弱視,雙眼視力相差不足2行,近視力≥6.00D、遠視力≥3.00D、散光≥2.00D,且矯正視力低于同年齡組視力參考值下限(3歲:0.5;4～5歲: 0.6;6～7歲:0.7;≥8歲:0.8)。弱視分度以最佳矯正視力劃分:輕度:0.5～0.8;中度:0.1～0.4;重度:＜0.1。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法在我院眼科門診就診的初診患兒中,符合納入標準者,在試驗前分別在小瞳下、10g/L鹽酸環噴托酯滴眼液散瞳、瞳孔回縮后進行驗光試鏡,以充分矯正屈光不正。運用綜合療法(配鏡、傳統遮蓋、紅光照射、精細視覺訓練等)規范化治療,并在治療24mo及終止治療后6mo進行復查。

1.2.2 試驗設計視覺刺激呈現運用腦功能視聽覺刺激系統。任務設計程序采用E-Prime 2.0軟件編寫。磁共振掃描啟動射頻脈沖觸發與刺激系統相連的同步系統,刺激模式運用對比度接近80%的隨機點立體圖像,此圖像來源于顏少明編著的第2版《數字化立體視覺檢查圖》。患兒通過配戴紅藍眼鏡以獲得立體視覺,紅色鏡片在右眼。控制狀態為刺激屏中央固定的黑色+注視點。將圖像通過控制操作間的視覺刺激儀投射至位于磁共振儀器后的高質乙烯屏幕上,以形成視覺刺激。在整個試驗過程中,患者均在屈光不正矯正后平躺于MRI掃描儀內,以避免因屈光不正引起的雙眼傳入信息量不同導致誤差。頭部固定,雙眼同時注視正前方15cm處的反光鏡,接受距反光鏡55cm的投影屏幕上的視覺刺激。投射在屏上畫面面積為(0.4×0.4)m2,屏幕距被檢者共70cm。除顯示屏光線外,患兒所處環境無其他光源。囑咐被檢者盡量在試驗過程中減少瞬目。運用Blocks設計,共掃描218s,組塊由激活和控制兩個狀態組成,每個狀態持續21s,兩組塊交替采集,共采集7次,且每個組塊重復5次。預先在控制狀態下掃描8s,不記錄數據以避免磁飽和效應影響。總有效掃描時間210s,共36副功能圖像。

1.2.3 BOLD-fMRI的信號采集運用SIEMENS MAGNETOM Verio 3T磁共振掃描系統,16通道頭部線圈。試驗過程中患者取仰臥位,頭部固定于正交線圈內。首先行三軸位定位像,沿前后聯合下緣劃線,以確定功能成像掃描基線,BOLD-fMRI數據采集采用回波平面成像(Echoplannar Imaging,EPI)序列軸狀位掃描模式。全腦解剖像數據采集采用三維預磁化快速梯度回波(magnetization prepared rapid gradient echo,MPRAGE or 3D MPR)序列矢狀位薄層掃描模式,其掃描基線平行于前后聯合線(AC-PC線)且覆蓋整個枕葉。功能像掃描參數:層厚3mm,間隔0.75mm,重復時間(TR)3000ms,回波時間(TE)30ms,觀察野FOV:192,矩陣Matrix 64×64,空間分辨率Voxel 3.0mm×3.0mm×3.0mm;解剖像掃描參數:層厚:1mm,間隔:0.182mm,重復時間(TR)1900ms,回波時間(TE)2.52ms,觀察野FOV:250,矩陣Matrix 256× 256,空間分辨率Voxel 1.0mm×1.0mm×1.0mm。

1.2.4 耳保護為避免試驗過程中噪音對兒童情緒、生理心理等方面造成不良影響,故配戴磁共振專用全覆式耳機,以衰減噪音。

1.2.5 數據處理及分析本研究屬自身前后對照研究。將試驗采集的所有數據圖像導入一臺Windows 8的64位操作系統工作站,離線處理。數據處理運用基于MATLAB7.12.0.635的SPM8軟件包,版本號r4290。首先將圖像數據進行數據轉換(DICOM Import)、時間校正(slice Timing)、頭動校正(Realign)、配準(Coregister)、圖像分割(Segment)、標準化(Normalise)、平滑(Smooth),而后進行個體、組內、組間分析。并將頭動水平超過1.5mm或旋轉超過1.5°的數據舍棄。配準后的結構像在功能像空間內分割為白質、灰質和腦脊液三部分,此過程比照東亞人大腦模板進行;高斯平滑的半高寬度(full-width at half maximum,FWHM)為6mm。運用WFU-PickAtlas-3.0.3軟件包將SPM內的MNI坐標系統轉化為Talairach標準坐標并進行功能區定位。閾值設定:P＜0.01,未進行多重矯正。多重矯正保證在多重比較校正檢驗中出現假陽性結果的概率不大于某一值,目的是使激活區域更加精確,但由于弱視兒童存在腦皮質功能弱化,若使用多重校正則沒有激活區域,故降低檢驗標準,以觀察弱視治療后激活區域變化。將被檢者治療18mo和24mo及終止治療后6mo時大腦皮層激活范圍差異做前后配對t檢驗。

2 結果

在數據處理過程中,所有患者數據均符合納入標準。根據患者檢查過程中按鍵反饋反應及監控設備證明患兒在整個檢查過程中均處于清醒狀態。對各治療階段激活數據進行前后對照t檢驗,各階段功能區激活主要集中在左枕葉(Brodmann 18區)、枕中回(Brodmann 19區)、邊緣葉(Brodmann 19區)、雙側頂上小葉(Brodmann 7區)、右枕葉舌回(Brodmann 17區),弱視治療24mo激活范圍無明顯擴大,差異無統計學意義(mean T=1.054,P＞0.01),終止治療6mo后激活范圍差異無統計學意義(mean T=1.9793,P＞0.01;圖1,表1、2)。由于本試驗屬于延續性試驗,從整個試驗過程中看,兒童屈光參差性弱視運用綜合療法規范化治療后大腦皮質激活區較治療前激活面積顯著擴大(依據于本課題前期實驗結果)。

3 討論

弱視是一種以不能矯正的視敏度下降為特點的、沒有明顯眼部結構及視路異常的疾病。立體視覺是辨別物體之間距離、深淺、凹凸等的能力,是雙眼視功能最高級的表現。雙眼與物體間距離不同及視角不同,故所看到的物體影像也會有差異,這種差異被傳入大腦后可感覺到立體景象。故雙眼的相互作用及是否能形成清晰物像對立體視覺的形成至關重要。在視覺發育敏感期內,若雙眼視覺輸入不相等,弱視眼所對應的立體視覺相關大腦皮質如背側通道等所受的刺激減小,最終導致相關部位體積的縮小,最終導致立體視功能缺乏[4]。

研究發現[5],屈光參差性弱視患病率明顯高于其他弱視病因,這是由于屈光參差可長時間持續作用于雙眼,并致弱視形成。患者雙側枕葉(BA17、18、19)及頂葉激活明顯,BA19區上側及枕葉舌回(BA17區)均為背側視覺區域的組成成分,這個區域的主要功能是空間運動和空間定位,又被稱為“where通道”或“how通道”。而枕外側部屬于腹側視覺區域,稱“what通道”,主要識別物體的表明特征[6]。這些區域均與立體視覺的激活有密切的聯系。頂葉為視覺性語言中樞所在區域,頂葉損傷可導致失認、視覺變形、立體視消失等癥狀,故頂葉對于立體視建立意義重大。Georgieva等[7]發現,頂葉、枕葉皮質區、顳下回腦區、運動前皮質區均參與了復雜的立體視覺形成,這也支持了我們的試驗結果。

圖1 弱視治療18mo和24mo及終止治療6mo后視皮層的功能激活差異 A:弱視治療24mo與18mo的t檢驗激活圖, mean T=1.014,P＞0.01;B:為弱視治療終止6mo與治療終止時的t檢驗激活圖,mean T=0.9793,P＞0.01。

表1 治療24mo與18mo主要激活腦區t檢驗結果

表2 終止治療6mo與終止治療時主要激活腦區t檢驗結果

在規范治療2a及終止治療6mo后,患者上述部位腦區激活無明顯擴大,我們分析,原因有以下幾點:(1)由于治療時間較長,患兒對于傳統訓練方式已經乏味,不能很好堅持;(2)由于患兒視皮質損害嚴重,重建困難;(3)由于試驗中所選患兒均為4歲以上,已錯過視中樞恢復的關鍵期,視皮層可塑性損害,恢復困難。Horton等[8]運用動物實驗研究發現,弱視眼所對應的紋狀區,眼優勢柱較正常眼數目明顯減少。這就提示弱視患者視皮質激活的減弱不僅是功能狀態的降低,而且是神經元數目的絕對減少。且在弱視患兒長期低視力影響下,視中樞長期廢用也會使大腦皮質出現功能甚至是結構變化。謝晟等[9]發現弱視兒童視覺相關腦灰質區與正常兒童相比發育異常,且相關視皮質區域皮層厚度均小于正常。Ptito等[10]研究發現,先天性失明患者的視皮質體積大大減少,且這種體積減少主要是由于萎縮引起。由此可推出,長期廢用的大腦皮質的主要變化趨勢以萎縮為主。而大腦細胞為永久細胞,是不可再生的。王天月[11]運用靜息態fMRI研究屈光參差性兒童腦功能連接密度發現,患兒腹側、背側通路、額葉、前運動皮層、背側頂下小葉及額島的功能連接密度顯著減少。由此試驗可知屈光參差性弱視患兒視中樞內神經元及連接各神經元的纖維均受到不可逆性損害。不論是細胞數目的絕對減少、細胞的萎縮,還是神經功能連接密度減少,都使得弱視患者的視皮質功能恢復困難重重。

基于為期30mo的三期試驗研究,我們發現患兒在規范治療24mo及終止治療6mo后,視中樞激活范圍保持穩定,既無明顯擴大也未縮小。在治療24mo后,視中樞的恢復終止,并在終止治療6mo后,視中樞激活也一直處在穩定狀態。故可以認為在4～12歲中度屈光參差性患兒在規范治療2a后視中樞恢復終止,繼續治療對于視中樞的恢復無明顯作用,可認為24mo是此階段弱視患兒治療的終止點。

由于本研究是針對兒童屈光參差性弱視研究,對于正常兒童對照組收集困難,故本試驗中并未設立正常對照組進行研究。本試驗為四維試驗數據,暫沒有正常兒童的研究數據可采用。本試驗對象為兒童,試驗中配合度較成人差,因無法配合試驗剔除病例較多,故只研究了4～12歲的13例患者,且均為中度屈光參差性弱視,未能收集輕度及重度患者進行比較、觀察。本研究結果中患兒fMRI圖中激活點較小,故未進行多重校正。本研究采用隨機點立體視覺檢查圖,只進行了近立體視刺激,未行遠立體視刺激。希望今后能繼續豐富病例,擴展此研究,彌補本次研究的不足。后續對于患兒靜息態fMRI試驗仍在繼續,通過此試驗以研究較小年齡患兒治療后視中樞恢復是否一致。

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Forwards research about the visual cortical functional binocular stereo vision in children anisometropic amblyopia: evidence from fMRI

Yang Li1,2,Zhen-Guo Yan2,Hong Cao2,Lei Yang2,Qiang-Hua M a3

1Lanzhou University Second Hospital,Lanzhou 730000,Gansu Province,China;2Ophthalmic Center;3Department of MR Imaging, General Hospital of Lanzhou Military Command,Lanzhou 730050, Gansu Province,China

Zhen-Guo Yan.Ophthalmic Center,General Hospital of Lanzhou Military Command,Lanzhou 730050,Gansu Province,China.yanzhenguozy@163.com

·AIM:To periodically evaluate the anisometropia amblyopic children's activation of the visual cortex function after training normatively by blood oxygen level dependent-functional magnetic resonance imaging (BOLD-fMRI).·METHODS:Thirteen children with anisometropia amblyopic from advanced research and subsequent research were collected.Self-controlled study before and after treatment and b locks-designed fMRI was perform ed.fMRI data were processed by using SPM 8 which based on the Matlab 7.12.0.635.T test was used to com pare and analyze the difference of the b rain activation data before and 18,24m o after amblyopia treatment and 6m o after stopped treatment.·RESULTS:The activation ranges in a ll these periods are Brodmann 7,17,18,and 19;After normalized treatment 24m o(m ean T=1.014;P＞0.01).and after stopped treatment 6m o(mean T=0.9793,P＞0.01).The increasing of the activation ranges in visual cortex was unconspicuous.·CONCLUSION:Visual cortex is basically stable after 2a of anisom etropic amblyopia treatment,and continuous treatment for amblyopia has no significant effect on visual cortex function reconstruction.

children;anisometropia;amblyopia; function magnetic resonance imaging;stereopsis

李陽,在讀碩士研究生,研究方向:斜弱視。

燕振國,教授,主任醫師,碩士研究生導師,研究方向:斜弱視.yanzhenguozy@163.com

2015-06-09

2015-10-19

:Li Y,Yan ZG,Cao H,et al.Forwards research about the visual cortical functional binocular stereo vision in children anisometropic amblyopia:evidence from fMRI.Guoji Yanke Zazhi (Int Eye Sci)2015;15(11):1980-1983

10.3980/j.issn.1672-5123.2015.11.39

Received:2015-06-09 Accepted:2015-10-19

方法:收集先期研究及后續收集屈光參差性弱視兒童共13例進行任務態組塊模式(Blocks)的功能磁共振(fMRI)研究,采用前后對照t檢驗對規范弱視治療18mo和24mo及終止治療6mo后的腦功能激活數據進行分析。圖像處理平臺為Matlab 7.12.0.635的SPM8軟件。

結果:各階段功能區激活主要集中在左枕葉(Brodmann 18區)、枕中回(Brodmann 19區)、邊緣葉(Brodmann 19區)、雙側頂上小葉(Brodmann 7區)、右枕葉舌回(Brodmann 17區),弱視治療24mo激活范圍無明顯擴大,差異無統計學意義(mean T=1.014,P＞0.01),終止治療6mo后激活范圍差異無統計學意義(mean T=0.9793, P＞0.01)。

結論:屈光參差性弱視治療2a后視中樞基本穩定,持續弱視治療對于視中樞功能重建無顯著作用。