脊髓損傷患者運動想象期間的近紅外腦功能成像研究

鄒 穎,張長杰,孔 瑛

1.中南大學湘雅二醫院康復科,長沙 410011;2.岳陽職業技術學院,湖南 岳陽 414000

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)是由于不同病因引起脊髓結構和功能的損害，造成脊髓損傷水平以下的運動、感覺、括約肌及植物神經功能障礙[1]。因其嚴重影響患者的工作和生活，SCI后如何促進患者運動功能恢復成為當前最重要的課題之一。

運動想象(motor imagery，MI)是大腦的一種主動認知活動，是指受試者在意識上執行特定運動而不產生實際的運動輸出[2]。目前常見MI有兩種：第一種是視覺運動想象(visual motion imagery，VMI)，要求被試者從第三人稱角度在腦海中清晰地看到自己或他人做特定運動過程的畫面；第二種是動覺運動想象(kinesthetic motion imagery，KMI)，要求被試者從第一人稱視角進行想象(即被試在心理排演運動過程并體驗運動的感覺但不發生實際運動)[3]。MI療法作為康復治療手段，具有安全、有效、低成本和可反復使用性，已廣泛應用于正常人的體育[4]、音樂[5]等領域中。近來，MI被應用于改善腦卒中[6]、帕金森[7]和SCI后的運動康復[8-10]中，但MI療法的治療機制至今缺乏明確結論，仍存在廣泛爭議。

運動執行(motor execution，ME)是指用實際動作執行運動過程，伴隨可見的運動輸出。良好的ME是肢體運動功能障礙患者的康復目標，MI作為康復治療技術，其療效通常采用行為學/臨床量表進行評定[8-9]。其弊端為具有一定主觀性，而神經影像學技術則可通過MI和ME腦區激活對比，從客觀角度對MI療效進行評價，同時還可從腦功能角度對MI療法的機制提供理論依據。

近紅外腦功能成像(functional near-infraed spectroscopy，fNIRS)是一種新興的影像學技術，是基于光學手段檢測的血紅蛋白變化引起光譜吸收的變化,基于神經-血管耦合機制，腦功能活動的變化會引起局部腦血流的變化，神經元活動的增加伴隨腦氧代謝的增加，在大腦皮層血管中的氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin，HbO2)和脫氧血紅蛋白(deoxymyoglobin，HbR)對近紅外光波段的光波產生不同程度的吸收，造成近紅外光衰減，根據光衰減量與組織中發色團濃度變化的相關性，fNIRS可以定量分析腦組織中HbO2和HbR的濃度變化。fNIRS對比功能性磁共振與腦電圖功能成像具有時空分辨率高、抗干擾性強、人群適用廣泛、應用場景無限制、可移動性好等技術優勢，因此fNIRS 被越來越廣泛地應用于神經康復、精神疾病等臨床領域[11]。

既往研究發現SCI后大腦也會發生結構和功能上的改變[10]，SCI恢復缺乏明確機制可能是由于以往大多數研究集中在脊髓損傷的局部病變，而忽略了潛在的腦改變。本課題擬通過fNIRS技術對SCI患者在MI任務態下的大腦皮層結構和功能的改變進行研究，為探討合理的康復治療手段提供理論依據。

資料與方法

1一般資料

前瞻性研究2021年6月—2021年8月中南大學湘雅二醫院康復科收治的21例SCI患者及同期面向社會公開招募的23名健康志愿者,將受試者分成SCI組與健康組。

SCI組患者男性14例，女性7例；年齡29～63歲，平均47.4歲；平均病程為(6.1±5.7)個月。根據《脊髓損傷神經學分類國際標準》[12]，A級3例，B級7例，C級5例，D級6例，均為椎體骨折。健康組男性14名，女性9名；年齡20～64歲，平均41.4歲。本研究方案經中南大學湘雅二醫院醫學倫理委員會批準(LYG2021062)，受試者在試驗前均簽署知情同意書。

2試驗方法

2.1任務態模式 采用區塊設計：任務期20s，靜息期30s，任務期與靜息期重復交替5次，考慮到受試者需要適應檢測環境以及保證fNIRS信號達到穩態，區塊前加入10s基線靜息數據，共采集260s數據。

2.2任務設置 受試者戴好fNIRS配套的光學探查頭帽，取仰臥位，雙上肢靜置于身體兩側，雙下肢伸直，待熟悉環境后開始試驗。ME:健康受試者注意聽取指令并根據指令的節奏進行右膝關節反復屈伸動作(腳底貼床面，屈膝60°，伸膝180°)，頻率約為0.25Hz，活動20s后，休息30s，重復5次。運動過程由研究者全程監控。MI：所有受試者根據電腦指令進行右膝關節屈伸的MI，頻率、幅度和模式與ME相同。本試驗采用KMI而非VMI，研究表明KMI與ME激活腦區更為相似[10]。

2.3近紅外數據記錄 使用fNIRS系統(NirSmartⅡ-3000B，丹陽慧創醫療設備有限公司)，采用連續波激光二極管記錄皮層活動。本研究中，28個NIRS探頭(14個光源和14個探測器)組成35個有效觀測通道(圖1)，使用支架固定fNIRS燈，并將光源與檢測器的距離設置為3cm。定義每個通道的中心為該通道探測的主要腦區，并以此點為原點進行每個通道的腦區定位。根據大腦區域和Brodmann區域(BA)分為12個感興趣區域(region of intrest，ROI)：左運動區(L-MA，對應通道34/35)，右運動區(R-MA，對應通道18/31)，左感覺區(L-SA，對應通道28/29/32/33)，右感覺區(R-SA，對應通道1/15/17/30)，左緣上回(L-SMG，對應通道13/14)，右緣上回(R-SMG，對應通道2/16)，左背外側前額葉(L-DLPFC，對應通道24/26)，右背外側前額葉(R-DLPFC，對應通道21/23)，左布洛卡區(L-Broca，對應通道11/12/25/27)，右布洛卡區(R-Broca，對應通道3/4/19/20)，左側額極(L-FP，對應通道8/9/10)，右側額極(R-FP，對應通道5/6/7)。

圖1 通道排布：紫色S表示發射器，藍色D表示探測器，灰色CH表示通道。a.上方視角的通道排布情況;b.前方視角的通道排布情況

3統計學分析

結 果

1一般資料比較

兩組受試者一般資料比較見表1。兩組受試者在年齡、受教育程度、性別經統計學檢驗后P值均>0.05，表明兩組被試一般資料差異無統計學意義，具有可比性。

表1 兩組受試者一般資料比較

2SCI組MI與健康組MI、ME時共同激活腦區

采用NirSpark軟件，對三組△[HbO]值分別行單樣本t檢驗，結果示：健康組ME任務時，激活通道見圖2a；健康組MI任務時，激活通道見圖2b；SCI組MI時，激活通道見圖2c。

3SCI組MI與健康組MI任務時激活通道及對應腦區差異

采用NirSpark軟件，對兩組△[HbO]值行雙樣本t檢驗，結果示：對比健康組MI，SCI組MI時3通道(t=2.211,P=0.032)、21通道(t=2.285,P=0.027)及30通道(t=2.147，P=0.037)有更多的激活，以上均未經FDR校正，見圖3。再采用SPSS軟件對兩組受試者MI任務時ROI的HbOβ值進行對比分析，結果示：與健康組MI相比，SCI組MI期間右感覺區，左緣上回，左、右背外側前額葉，左、右布洛卡三角區，左、右額極有更多的激活，其中顯著性激活增多的是右感覺區(t=1.843，P=0.009)與左背外側前額葉(t=1.517，P=0.034)，見表2、圖4。

圖2 SCI組MI、健康組MI與ME期間腦區激活模式：采用NirSpark軟件行單樣本t檢驗，P<0.05，經FDR校正，采納為顯著激活通道。a.顯示健康組ME任務期間，2、3、4、5、7、9、11、12、19、20、25、27、32、33和34通道被激活；b.顯示健康組MI任務期間2、16、27、32、33和35通道被激活；c.顯示SCI組MI任務期間9、13、17、25、27、29和35通道被激活。根據通道配準信息，健康組與SCI組MI任務時激活的運動區為前運動皮層，健康組ME期間運動區僅有初級運動皮層激活；SCI組MI期間，健康組ME及MI期間有相似激活腦區，左感覺區、左運動區、緣上回和左布洛卡三角區被共同激活。矩陣表示t值，ME表示運動執行，MI表示運動想象

圖3 SCI組與健康組MI任務期間腦區激活差異：采用NirSpark軟件行獨立樣本t檢驗，P<0.05，未經FDR校正，采納為激活差異通道。a.上方視角的兩組MI任務期間通道激活差異；b.前方視角的兩組MI任務期間通道激活差異。a、b(結合NirSprak系統計算)顯示：相較于健康組MI，SCI組MI任務期間3、21、30通道激活顯著性增多。矩陣表示t值，MI表示運動想象

表2 MI任務時兩組各腦區HbO的β值對比

*表示P在0.01～0.05,**表示P<0.01；MI：運動想象；L/R：左/右；MA：運動區；SA：感覺區；SMG：緣上回；DLPFC：背外側前額葉；BROCA：布洛卡區；FP：額極

討 論

本研究中，SCI組MI、健康組ME及MI任務期間有相同激活腦區，左感覺區、左運動區、緣上回和左布洛卡三角區被共同激活。大量臨床研究表明MI療法可改善SCI后患者的運動功能[8-9]，但多以運動相關參數評定為依據，本研究結果為SCI患者MI運動療法機制提供了神經影像學理論依據。

健康組與SCI組MI期間前運動皮層(premotor cortex，PMC)及輔助運動區(supplemental motor area，SMA)激活，雖有研究顯示初級運動皮層(primary motor cortex，M1)參與到MI中[13]，但實際MI任務中運動區仍以PMC及SMA激活為主[14]，這種激活模式可能與MI期間PMC參與運動計劃[15]，并且運動啟動前PMC/SMA抑制M1的興奮性有關[16]；健康組ME時運動區僅M1激活，則與M1參與運動執行相關[17]，但Economo等[18]和Li等[19]團隊在老鼠延遲反應任務中發現：背側前運動皮層(被視為靈長類動物的PMC的同源物)，含兩種神經元，一種投射至丘腦優先參與運動計劃，一種投射至腦干和脊髓的運動前中心在運動執行中發揮作用，說明除了M1，PMC也參與運動執行。但本研究中健康組ME期間僅有M1激活卻無PMC的激活，可能原因是：運動啟動時PMC興奮性通過皮質皮質通路[20]或皮質丘腦通路[21]促進M1激活增加[20]，但運動啟動后隨著M1激活增多可能會反向抑制PMC/SMA的興奮性。這可以解釋本試驗的結果，但證據薄弱，需做正常成人ME期間的PMC/SMA與M1的腦網絡連接分析來進一步驗證。

與健康組MI比較，SCI組MI時右感覺區有更多的激活，這可能與感覺皮層參與運動學習有關，Ohashi等[22]及Kumar等[23]研究顯示人類運動學習過程中，體感皮層興奮性的變化先于運動皮層，參與到人類鞏固運動記憶中[24]，知覺學習會導致額葉運動區域發生變化[25]，有助于運動學習。結合本研究結果提示：(1)SCI患者或由于肢體運動功能缺失，代償性需要啟動更多的感覺皮層來促進運動學習；(2)MI療法可能通過增加SCI患者感覺皮層激活，從而增強患者運動學習能力。

SCI組L-DLPFC激活增多則可能與內隱序列學習能力代償性增多有關。最新研究表明，對健康受試者L-DLPFC行陽極經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)，結果示內隱運動學習任務的反應時間明顯增快[26]，DLPFC的theta爆發刺激可以改變紋狀體和海馬體中與運動序列學習相關的網絡功能連接[27]，以上表明DLPFC是負責序列學習的神經元底物的一部分。對于SCI患者而言，L-DLPFC的刺激療法更多應用于SCI后的神經性疼痛[28]。最新一項Meta分析[29]報道稱,L-DLPFC高頻經顱磁刺激減少了神經性疼痛，并且觀察到刺激后長達3個月的后續鎮痛效果,與L-DLPFC參與調節大腦垂體后葉的催產素分泌水平，從而緩解疼痛有關[30]。由此可見，SCI組L-DLPFC的激活增多除與隱性運動序列學習有關外，或與代償性抑制神經性疼痛也產生關聯；而R-DLPFC激活增多則可能因患者生活自理能力下降導致情緒低落引起。研究表明重度抑郁常出現R-DLPFC的過度激活[31]，通過激活L-DLPFC，抑制R-DLPFC，可以達到緩解抑郁的作用[32]。

本研究局限性在于樣本量有限，后續可增加樣本量，分析獲得更為客觀的結論對本研究結果予以補充和修正；且本研究為橫斷面研究，缺乏行為學/臨床量表對MI療效的評估，后續可采用相對長時多頻次MI療法，對行為學參數評分與相關腦區激活強度行線性相關分析，進一步挖掘MI療法的機制。

綜上可見，DLPFC是一個功能和結構上的異質性區域，涉及認知、情感和感覺加工，DLPFC的應用治療似乎可以同時改善SCI患者運動序列學習、抑郁及緩解神經性疼痛，可為SCI后的康復治療提供一個新的研究和治療方向。同時本研究從皮層激活角度證實MI療法可改善SCI患者肢體運動功能：(1)SCI組MI期間腦區激活模式與健康組ME期間相似；(2)SCI患者或通過MI療法激活更多的感覺皮層與左背外側前額葉來增強運動學習和隱性序列學習能力。

作者貢獻聲明：鄒穎：文章撰寫、臨床試驗、收集數據及分析；張長杰：指導研究、數據分析；孔瑛：文獻解讀、試驗討論、驗證數據