亞急性期腦卒中康復過程中半球間皮質結構可塑性差異

張豪杰，王云雷，樊令仲，李芳，劉靜婭，于少泓，侯園園，白晨，李冰潔，杜曉霞，張通

1.首都醫(yī)科大學康復醫(yī)學院，北京市 100068；2.中國康復科學所，北京市 100068；3.中國康復研究中心北京博愛醫(yī)院，北京市 100068；4.中國科學院自動化研究所模式識別國家重點實驗室和腦網(wǎng)絡組研究中心，北京市 100190；5.中國科學院大學，北京市 100190；6.山東中醫(yī)藥大學第二附屬醫(yī)院，山東濟南市 250001；7.山東中醫(yī)藥大學第二臨床醫(yī)學院，山東濟南市 250001

運動功能障礙是腦卒中最常見的癥狀[1]，康復可以改善運動功能[2-4]，這與腦可塑性機制有關[5-9]，癥狀的改善主要發(fā)生在腦卒中后的前10 周[10-12]，提示腦可塑性變化在這段時間可能最明顯，因此充分了解此階段腦可塑性變化情況是準確對患者進行分層及采取個體化治療方案的必要條件。目前已觀察到皮質下腦卒中患者康復過程中常伴有病灶同側半球(ipsilesional hemisphere,IH)和對側半球(contralesional hemisphere,CH)皮質結構形態(tài)的改變[13-15]，但尚不清楚IH和CH的皮質結構可塑性動態(tài)變化情況及兩者之間是否存在差異。

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)作為無創(chuàng)的神經影像技術，可很好地用于研究腦結構可塑性機制，篩選出的結構生物標志物可對患者進行分層及預測預后[16-24]。結構可塑性既包括樹突長度增加、神經元數(shù)量及新陳代謝改變等微觀層面變化，也包括腦區(qū)體積、皮層厚度和面積等宏觀層面變化[25-28]。皮質下卒中在人類更為常見[29]，目前已有一些用MRI觀察皮質下卒中患者腦皮質結構可塑性變化與康復效果關系的研究[13,15,30]，觀察到雙側半球的皮質厚度或體積變化與康復效果存在一定相關性，但這些研究多為橫斷面研究及采用單一的評價指標[13,15,31]，不能全面及動態(tài)地觀察到康復過程中腦皮質結構可塑性的變化特征，采用縱向設計、多種指標共同分析腦皮質結構的不同方面，可以更全面反映腦可塑性變化機制[32]，并更有利于篩選出與康復效果有關的生物標志物。

本研究采用縱向設計、多變量指標觀察腦卒中患者在發(fā)病后前3 個月康復過程中腦皮質結構形態(tài)的動態(tài)變化，為減少異質性，我們只納入首次發(fā)病的大腦中動脈區(qū)域單病灶的皮質下缺血性卒中患者。為全面觀察皮質結構形態(tài)變化，采用皮質表面積、厚度和體積3 個指標共同評價皮質結構可塑性，并提出主要研究假設：因為單側皮質下病灶可以影響雙側大腦半球的皮質結構[13,15,31,33]，假設病灶同側腦區(qū)與病灶對側腦區(qū)隨時間可出現(xiàn)動態(tài)結構性變化，且兩者之間可能存在差異；有統(tǒng)計學差異腦區(qū)的皮質結構變化與運動功能改善可能存在相關性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2018 年11 月20 日 至2020 年2 月1 日，選取 在 北京博愛醫(yī)院住院的40例腦卒中患者，診斷均符合世界衛(wèi)生組織缺血性腦卒中診斷標準[34]。

納入標準：①年齡18～80 歲；②首次發(fā)病，運動障礙為主；③發(fā)病8～30 d，④大腦中動脈流域的單發(fā)皮質下梗死；⑤無腦外傷、中樞或周圍神經系統(tǒng)疾??；⑥無主要器官衰竭、嚴重感染、惡性腫瘤、肝腎疾病等。

排除標準：存在幽閉恐懼癥或MRI 檢查禁忌癥(如患者體內有鐵質金屬，或心臟起搏器等)；②抑郁癥或焦慮癥(如漢密爾頓抑郁量表＞17 分)；③嚴重認知功能障礙(如蒙特利爾認知評估量表＜22 分[35])；④其他疾病影響腦卒中患側肢體功能(包括但不限于嚴重關節(jié)炎、掌筋膜攣縮癥、2個以上部位截肢等)。

本研究經中國康復研究中心醫(yī)學倫理委員會批準(No.2018-008-1)?；颊咴诩尤胝n題前了解研究過程及潛在風險，并自愿簽署知情同意書。

1.2 方法

入組患者分別于康復開始前(T1)、康復1 個月(T2)和康復2 個月(T3)行3 次磁共振掃描。第1 次完成掃描40 例，排除并發(fā)其他部位梗死3 例、不愿配合自行退組4 例、其他原因退出2 例(肺炎、急性冠脈綜合征)；第2 次完成掃描31 例，排除出院未繼續(xù)治療4例，不愿配合檢查3例及出現(xiàn)其他并發(fā)癥2例；第3次完成掃描22 例，且數(shù)據(jù)可用，最終對完成3 次掃描的22例患者進行分析。

臨床量表評分包括美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表(National Institutes of Health Stroke Scale,NIHSS)、改良Rankin 量表(modified Rankin Scale,mRS)、簡易精神狀態(tài)檢查、蒙特利爾認知評估量表、漢密爾頓抑郁量表和Fugl-Meyer 評定量表(Fugl-Meyer Assessment,FMA)[36]。由康復醫(yī)師獨立評定，評定日期與MRI 掃描日期相同。所有入組患者均在北京博愛醫(yī)院接受同等量的標準康復治療，包括物理治療和作業(yè)治療，每天≥3 h，每周5 d。

1.3 影像數(shù)據(jù)采集及處理

所有圖像在3.0 T TX 磁共振掃描儀(荷蘭Royal Philips Electronics 公司)上獲取。為保證掃描質量，每個參與者的頭部都由泡沫墊緊密固定并佩戴耳機，以減少頭部移動和掃描儀噪音。8 通道磁頭陣列線圈用于回波平面成像獲得高分辨率結構圖像。圖像的軸位與覆蓋整個大腦的前后連合線平行。T1_3D 加權快速自旋回波序列：重復時間7.6 ms，回波時間3.7 ms，翻轉角8°，視野256×256 mm，體素1×1×2 mm3，采集矩陣256×256，180 層矢狀位切片，層厚2 mm，掃描時間254 s。

使用Freesurfer 穩(wěn)定版本v6.0.0 (https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/)進行皮質表面的重建及體積分割。數(shù)據(jù)預處理過程主要包括運動校正及平均、使用混合分水嶺/表面變形程序顱骨剝離、皮質下白質分割、強度歸一化、灰質和白質邊界鑲嵌、自動拓撲校正和強度梯度后表面變形。最后，基于連續(xù)性信息創(chuàng)建皮質表面3D模型。

1.4 皮質表面積測量

分析之前目測檢查每個受試者的皮層重建是否準確，如果發(fā)現(xiàn)不準確之處，手動編輯頂點或控制點使拓撲準確，然后重復這一過程。Freesurfer在受試者皮質外表面及灰質/白質交界處(皮質內表面)建立多邊形網(wǎng)格模型。皮質表面積計算是把皮質外表面自動切割細分為不同的具有空間定位的三角面，假設一個三角面為ABC：

a=[xA yA zA]'

b=[xB yB zB]'

c=[xC yC zC]'

u=a-c,v=b-c

這個三角面ABC的面積為：

|u×v|/2

×表示叉積，| |表示向量范數(shù)，不同三角面的面積之和就是某個腦區(qū)的表面積[37]。以中國科學院腦圖譜為模板[38]，除了基于定點的重建外，F(xiàn)reesurfer還自動將每側半球皮質分割成相同的105 個腦區(qū)，分別計算每個腦區(qū)的表面積。這些步驟在后面皮層厚度和體積計算過程中也將用到。

1.5 皮質厚度測量

利用在皮質表面創(chuàng)建的多邊形網(wǎng)格模型，皮質每個頂點的厚度是根據(jù)兩個距離的平均值計算的[39-40]，第一個距離是白質表面(皮質內表面)頂點到皮質外表面(不一定是皮質外表面頂點)的距離，第二個距離是相對應的皮質外表面頂點到白質表面(同樣，不一定是皮質內表面頂點)的距離。最后每個腦區(qū)的平均厚度可由Freesurfer軟件自動生成。

1.6 皮質體積測量

皮質體積的計算原理不是簡單的直接用皮質表面積乘以厚度，那樣會低估皮質外部凸面組織的體積，同時高估皮質內表面組織體積，而是把皮質內外側面分割成不同的成對匹配面，每對匹配面都可以用來定義一個不規(guī)則多面體[41]。這個多面體是一個斜截角的三角金字塔，可以完美地分成三個不規(guī)則的四面體，它們既不重疊，也不留空隙。該不規(guī)則多面體的六個頂點坐標可從表面網(wǎng)格模型中獲得，根據(jù)頂點坐標，F(xiàn)reesurfer 軟件可以自動計算每個四面體的體積并相加，從而可以得到每個腦區(qū)的體積。

1.7 功能恢復評價

采用恢復率(recovery ratio,RR)評價患者康復治療后運動功能改善情況。

ΔFMAActual是第3 次FMA 評分減去第1 次FMA評分：

ΔFMAActual=FMAT3-FMAT1

ΔFMAPotential是第1 次FMA 評分與FMA 總分100 分的差值，表示患者發(fā)病后功能恢復至正常的最大可能潛力：

ΔFMAPotential=100-FMAT1

用這個計算方法主要是考慮到病情的初始嚴重程度可能會影響只用變化分值評價的準確性，因為病情開始較重的治療后恢復的分值變化可能更大，之前Lin等[22]已對這個問題有詳細論述。

1.8 統(tǒng)計學分析

采用IBM SPSS 24.0 (IBM Corp,Armonk,NY)的Windows 版本進行統(tǒng)計分析。采用兩因素重復測量方差分析分別檢驗康復治療過程中105 個腦區(qū)[38]皮質表面積、厚度、體積在病灶同側半球腦區(qū)與病灶對側半球腦區(qū)有無差異。兩因素是指時間因素(T1、T2、T3)和組間因素(IH、CH)。采用Spearman 線性相關分析有統(tǒng)計學差異腦區(qū)的結構變化與RR 之間的相關性。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 臨床特征

22 例患者中，男性17 例，女性5 例；年齡(57±11.3)歲；左側發(fā)病10 例，右側12 例；入組時發(fā)病(19.2±6.4)d，處于亞急性期；NIHSS評分(5.8±3.4)分，主要為輕中度腦卒中患者；第1 次FMA 評分(49.1±23.0)分，第2次(69.6±21.7)分，第3次(77.2±21.2)分。

2.2 皮質表面積

在皮質表面積分析中，3 個有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)分別是楔前葉的背內側頂枕溝的dmPOS、枕極皮層的OPC 和中央后回的A3ulhf 腦區(qū)。其中，dmPOS 腦區(qū)表面積和OPC 腦區(qū)表面積的時間主效應顯著(P＜0.05)，dmPOS 隨時間變化減小而OPC 增大，而組間主效應不顯著(P＞0.05)；A3ulhf腦區(qū)表面積的時間主效應不顯著，而組間主效應顯著(P＜0.05)，病灶對側半球的平均表面積大于病灶同側半球。見表1、圖1。

2.3 皮質厚度

所有腦區(qū)皮層厚度的組間主效應均不顯著(P＞0.05)。有19個腦區(qū)的皮層厚度的時間主效應顯著(P＜0.05)，其中頂葉10 個，額葉和顳葉各4 個，枕葉1個。配對分析顯示，腦區(qū)厚度的顯著性差異主要存在第1 次與第2 次、第1 次與第3 次之間，第2 次與第3次之間存在顯著性差異的只有位于楔前葉的A5m 和dmPOS 腦區(qū)，且dmPOS 只在第1次與第3次之間、第2 次與第3 次之間存在顯著性差異(P＜0.05)，提示該腦區(qū)皮質厚度隨時間變化發(fā)生階段可能較晚。絕大部分腦區(qū)皮質厚度隨時間變化呈逐漸減少趨勢，僅海馬旁回的A36r 腦區(qū)的第2 次平均厚度較第1 次升高。見表1。

2.4 皮質體積

在腦區(qū)體積的分析中，共發(fā)現(xiàn)20個腦區(qū)的時間主效應顯著(P＜0.05)，其中19 個腦區(qū)與皮質厚度的時間主效應顯著的腦區(qū)一致，僅增加位于額上回內側的A9m 腦區(qū)。配對分析顯示，差異主要存在于第1 次與第2 次之間，并且皮質體積在雙側半球大部分腦區(qū)隨時間變化呈逐漸減少趨勢，僅海馬旁回的A36r 腦區(qū)的第2 次平均體積較第1 次升高。另外，位于中央后回的A3tonIa 腦區(qū)體積組間主效應顯著(P＜0.05)，病灶同側半球的平均皮質體積比病灶對側半球小。見表1～表2、圖1。

表1 病灶同側與病灶對側半球兩因素重復測量方差分析結果

2.5 腦區(qū)結構變化與RR相關性分析

以上結果顯示，位于中央后回的A3ulhf腦區(qū)表面積、A3tonIa 腦區(qū)體積在雙側半球間存在顯著性差異。對這兩個腦區(qū)的表面積、厚度和體積變化分別與RR進行相關性分析，結果顯示，病灶側半球A3tonIa 腦區(qū)的厚度和體積變化與RR 呈負相關(P＜0.05)。見圖2。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在皮質下缺血性卒中發(fā)病后的前3個月，康復治療過程中雙側半球均出現(xiàn)結構性變化，并且主要發(fā)生在康復前與康復1 個月之間，大約相當于腦卒中后的前2 個月，這與之前研究發(fā)現(xiàn)的臨床功能的改善主要發(fā)生在腦卒中后前10 周基本一致[11-12]，另外中央后回A3ulhf 腦區(qū)表面積和A3tonIa 腦區(qū)體積在兩側半球之間存在差異，共同表現(xiàn)為病灶同側半球小于病灶對側半球，病灶側半球A3tonIa 腦區(qū)厚度和體積的減少與運動功能的恢復呈負相關。

本研究還發(fā)現(xiàn)，腦卒中康復過程中遠離皮質下病灶的雙側大腦半球均發(fā)生結構性變化，這是腦可塑性機制的體現(xiàn)。Bethe等[42]在1930年首次提出腦可塑性，主要是指大腦可以對外界環(huán)境的變化做出應答，是神經系統(tǒng)為適應環(huán)境變化或應對危險的一種動態(tài)修復能力，在生理情況下和病理情況下均可出現(xiàn)結構及功能的可塑性變化。Vaquero 等[43]發(fā)現(xiàn)，與非音樂人相比，鋼琴家表現(xiàn)出雙側殼狀核、右丘腦、雙側舌狀回和左顳上回的灰質體積更大，提示運動技能訓練可以引起腦皮質結構的改變。Pundik 等[44]觀察到慢性腦卒中患者經康復治療后病灶同側枕葉皮質厚度增加。

圖1 病灶同側半球與對側半球組間差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)

圖2 中央后回A3tonla腦區(qū)結構變化與RR相關性

表2 有顯著性差異腦區(qū)位置信息

另外，我們發(fā)現(xiàn)，這些腦皮質結構形態(tài)的改變在腦卒中后的前2 個月最明顯，并且雙側半球的皮質表面積、厚度和體積在此間期主要呈下降趨勢。這些結果不僅為臨床功能的改善提供了影像學證據(jù)支持，同時也提示腦卒中后盡早給予康復治療的必要性。

對于衡量結構可塑性的皮質表面積、厚度和體積，三者存在時間主效應差異的腦區(qū)并不完全一致。皮質厚度和皮質體積隨時間變化的腦區(qū)基本一致且數(shù)量較多，但只發(fā)現(xiàn)2 個腦區(qū)的皮質表面積隨時間變化有統(tǒng)計學意義，提示皮質下病灶可能對皮質厚度和體積影響更明顯，這可能與皮質下白質纖維受損后引起相關的皮質神經變性有關[14,28,45]。Duering 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與病灶相距較遠的皮質有局灶性萎縮，特別是與病灶存在高度連通性的區(qū)域變薄更為明顯，連接病灶與遠端皮質的白質纖維束微結構損傷與該區(qū)域厚度變化顯著相關。Cai等[13]發(fā)現(xiàn)，與急性期相比，1 年后病灶側中央前回、中央旁回體積明顯減少，但病灶對側的眶額葉皮質、額中回和額葉下回體積明顯增加。以上這兩個研究均采用單一的指標觀察腦卒中后病灶遠端的腦皮質結構可塑性變化，與本研究結果一致的是均觀察到病灶同側相關腦區(qū)萎縮減小，但本研究并沒有觀察到Cai等研究中病灶對側的相關腦區(qū)顯著增加。原因可能如下。①觀察時間不同，本研究觀察發(fā)病前3 個月，而Cai等的研究中觀察發(fā)病后1 年；②分析方法不同，本研究是用基于表面的方法計算皮質厚度和體積，而Cai 等的研究是基于體素計算，二者雖然都可以用來研究皮質結構變化，但計算方式有差異，有研究報道基于表面的計算方法可能更優(yōu)[46]。另外，本研究是同時采用表面積、厚度和體積3 個指標參數(shù)評價結構可塑性變化，可更全面地評價腦卒中后腦結構的變化特性。

從時間主效應顯著的腦區(qū)解剖位置分布上看，主要包括額上回、額下回、中央前回、中央旁小葉、中央后回、楔前葉、頂上小葉、頂下小葉、海馬旁回、枕葉外側皮質等。額上回、中央前回、中央旁小葉主要涉及初級運動功能區(qū)及輔助運動功能區(qū)，中央后回主要涉及軀體感覺功能區(qū)，額下回、楔前葉及海馬旁回主要涉及認知功能區(qū)，枕葉外側皮質主要涉及視覺中樞。這些腦區(qū)在之前的相關研究也有報道。Fan等[15]發(fā)現(xiàn)，海馬、楔前葉體積增加并且與運動功能改善呈正相關，提示認知相關腦區(qū)的結構重組可能有助于運動功能的恢復。另外，Sterr 等[47]發(fā)現(xiàn)慢性腦卒中患者康復治療后病灶對側的軀體感覺皮層厚度增加。Pundik 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，康復治療后枕極、枕外皮質、距骨內皮層、顳下回等區(qū)域皮質厚度增加，并與臨床癥狀的改善呈正相關。本研究同樣觀察到位于海馬旁回的A36r 腦區(qū)厚度和體積在康復過程中呈增加趨勢，并沒有發(fā)現(xiàn)軀體感覺皮層厚度增加，可能與研究的觀察階段不一樣有關。因此，偏癱患者在康復治療過程中可伴有認知、感覺等功能分區(qū)的結構可塑性改變，認知能力對于運動功能的恢復可能具有重要意義[48]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，中央后回A3ulhf腦區(qū)的表面積和A3tonIa 腦區(qū)的體積組間主效應顯著，即病灶對側腦區(qū)的表面積及體積大于病灶同側，但這兩個腦區(qū)的皮質厚度在病灶同側半球和對側半球間無差異。此前沒有文獻報道過病灶同側與病灶對側半球腦區(qū)結構對比結果，這兩個腦區(qū)在兩組之間出現(xiàn)差異的原因還很難解釋，為進一步明確這兩個腦區(qū)是否真的存在不同半球之間差異，可能還需要做更多的工作，如從功能和電生理方面了解是否存在差異，擴大樣本量等。另外，相關性分析提示，病灶側A3tonIa 腦區(qū)的厚度和體積減小越明顯，運動功能的恢復可能越差，提示感覺功能在偏癱患者的功能恢復過程中起到很大作用，這與之前的研究[30]提示遠端皮質的多發(fā)性萎縮與殘余運動缺陷的程度有關相一致。

綜上所述，本研究通過觀察亞急性期皮質下卒中患者在康復過程中皮質結構形態(tài)的動態(tài)變化，為此階段臨床功能的恢復提供了一些影像學證據(jù)，并且有助于將來發(fā)展康復新技術及開展個體化治療方案的研究。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。