慢性腰痛與運動控制相關皮層功能改變的研究進展

楊懷春,肖文武,管業簫,王楚懷

慢性腰痛,是當前全球范圍內最主要的致殘疾病之一,已成為影響勞動生產力的最主要因素之一[1-2]。然而,慢性腰痛是一大類異質性疾病,其病因及發病機制不盡相同,其中,高達90%的慢性腰痛患者病因不明[3-4]。因此,有必要進一步探討慢性腰痛的發病機制。

既往,研究者較多地關注慢性腰痛患者的外周肌肉運動控制改變,并且認為這些運動控制改變可能與慢性腰痛的發生存在聯系[5-7]。近年來,研究提示慢性腰痛患者運動控制相關皮層也可能發生了功能改變[4,8-9],然而這些運動控制相關皮層腦功能改變與慢性腰痛之間的關系仍不甚清楚。本文通過對近年來慢性腰痛運動控制相關皮層功能改變的研究進行回顧,旨在為理解慢性腰痛的可能發病機制及促進其全面康復提供潛在的思路。

1 運動控制相關皮層

運動控制是人體執行動作的神經肌肉控制過程,其涉及感覺信息傳入、中樞整合、運動輸出,最終以適當的肌肉力量和協調性實現適宜的運動或動作[10-12]。進一步,運動控制可分為隨意運動控制及無意識運動控制,其中,無意識姿勢控制包括了預期姿勢調節及補償姿勢調節[13]。

在中樞神經系統,運動控制相關皮層分布較為廣泛,其中,主要涉及初級運動皮層(primary motor area, M1)、運動前區(premotor area, PMA)等腦區[14-16],其中,PMA腦區進一步可以分為輔助運動區(supplementary motor area, SMA)及運動前皮質(premotor cortex, PMC)。在中樞神經系統,M1、SMA、PMC在運動的計劃與執行過程中起到重要作用[17-19]。M1區是隨意運動控制的執行腦區[20],同時也是運動學習期間預期姿勢控制適應性改變的核心腦區[21]。SMA與PMC是無意識運動控制過程中運動指令編程的高級皮層[22],同時參與了調節M1區運動輸出指令[23-24]。

因此,運動控制是一個復雜的人體肌肉控制過程,M1區、SMA及PMC在介導隨意運動控制及無意識運動控制過程中起到重要作用,各個運動控制相關腦區既有彼此分工,也存在共同參與、相互協調的關系。

2 慢性腰痛運動控制相關皮層功能改變

慢性腰痛存在運動控制改變得到了較為廣泛的認可[25-26]。以往,人們主要關注運動控制的外周肌肉功能改變。近年來,人們逐漸意識到運動控制相關中樞改變可能在慢性腰痛發病過程中起到的重要作用,其中M1區、SMA、PMC等運動控制相關皮層得到了廣泛的關注。

在M1區研究方面,有學者分別采用經顱磁刺激及表面肌電進行M1區及多裂肌功能檢測,結果顯示,在執行內源性可預期姿勢干擾動作時,右側慢性腰痛患者中雙側M1區活動運動閾值較左側慢性腰痛及無癥狀受試者顯著下降,其多裂肌預期姿勢調節潛伏期較左側慢性腰痛患者顯著變短;雙側慢性腰痛多裂肌預期姿勢調節激活提前與更低M1區活動運動閾值存在相關性[27]。采用M1區經顱磁刺激記錄腹橫肌/腹內斜肌皮質脊髓束興奮性、激活運動閾值、短間隔皮質內抑制,結果發現在執行快速肩部前屈任務時,慢性腰痛同側腹橫肌/腹內斜肌預期激活延遲,雙側腹橫肌/腹內斜肌共激活模式消失,伴隨M1區短間隔皮質內抑制丟失[28]。進一步,采用經顱磁刺激進行M1區軀干肌代表皮層定位,結果顯示慢性腰痛患者腹橫肌、多裂肌運動皮層定位發生改變[29]。而采用經顱磁刺激及表面肌電進行慢性腰痛中樞運動皮層及外周肌肉肌電改變,結果發現,慢性腰痛患者椎旁肌肉代表的M1區出現離散運動皮質分布消失,并且這種改變與慢性腰痛的疼痛程度和疼痛部位存在關聯[30]。因此,慢性腰痛患者出現了M1區功能改變,有限的研究提示這些功能改變可能與外周肌肉運動控制改變存在相關性,然而,目前M1區功能改變與外周肌肉運動控制改變之間的關系仍不甚清楚,值得進一步開展相關研究。

在SMA及PMC腦區研究方面,有學者采用高密度腦電分析慢性腰痛患者相關腦區功能改變,結果顯示,在執行虛擬現實環境下站立位身體前傾舉臂觸物任務時,慢性腰痛患者較健康受試者出現運動反應時延遲、SMA及PMC腦區beta值下降等變化,并且這些改變與運動誘發疼痛存在相關性[31]。另外一份獨立研究采用功能磁共振進行SMA腦區檢測,結果顯示,慢性腰痛左側SMA腦區及右顳上溝激活程度較健康受試者下降[32]。類似的,對于PMC腦區,研究也發現,在面對疼痛刺激時,相較于健康受試者,慢性腰痛患者PMC的部分區域存在去激活情況[8]。采用功能磁共振技術進行腦功能檢測,結果發現,相較于健康受試者,慢性腰痛患者SMA腦區、中央前回/中央后回、前扣帶回等腦區的低頻振幅 (amplitude of low-frequency fluctuations, ALFF)顯著上升,左側前扣帶回灰質體積顯著下降;當腰痛激發后,慢性腰痛患者島葉、杏仁核、海馬/海馬旁回和丘腦ALFF值升高[33]。在腦功能連接方面,慢性腰痛患者M1區、SMA腦區、前扣帶皮層、中扣帶皮層、后扣帶皮層、額葉下回、顳中回、枕葉回、中央回后、丘腦、尾狀核和小腦等腦區之間存在廣泛靜息態腦功能連接下降,并表現出不穩定及低效率的腦網絡連接[34]。此外,研究也發現慢性腰痛患者PMC也出現靜息態異常改變[35]。然而,在執行運動任務時,慢性腰痛患者存在雙側運動控制相關皮層顯著激活及任務態功能連接增加[36]。目前,較多研究提示慢性腰痛患者SMA、PMC腦區存在功能改變。盡管在健康人群中,SMA、PMC腦區功能與外周肌肉運動控制存在相關性[37-38]。但是,關于慢性腰痛SMA、PMC腦區功能改變與外周肌肉運動控制改變之間的關系,較少報道。

綜上所述,相較于無腰痛受試者,慢性腰痛患者可能出現了以M1區、SMA及PMC腦區激活和或功能連接改變為主要特征的腦功能改變。盡管較多研究提示慢性腰痛患者存在M1區、SMA、PMC等腦區功能改變,但是關于這些腦區與運動控制外周改變之間的聯系及可能機制,報道較少,相關研究需要進一步開展,這將有助于進一步揭示慢性腰痛運動控制改變的中樞機制。

3 靶向慢性腰痛運動控制相關皮層的無創性腦調控治療

無創性腦調控治療,是區別于有創腦調控技術的一種腦調控治療方法,其具有無創、相對安全等特點,包括了經顱直流電刺激、重復經顱磁刺激、經顱磁刺激、經顱超聲刺激、經顱交流電刺激、經顱隨機噪音刺激、迷走神經刺激、前庭電刺激、經顱靜磁場刺激[39-41]。在慢性腰痛運動控制相關腦區的無創腦調控治療研究中,經顱直流電刺激在靶向慢性腰痛M1區的康復治療作用得到了較多的研究。

在慢性腰痛患者中,單純應用M1區陽極經顱直流電刺激對慢性腰痛、疼痛相關殘疾評分未見顯著改善[42]。然而,應用M1區陽極經顱直流電刺激聯合運動訓練的方法,可有效改善皮層興奮性、運動表現及運動學習能力[43]。此外,M1區陽極經顱直流電刺激聯合姿勢控制訓練亦可顯著改善慢性腰痛患者平衡功能、姿勢穩定性及疼痛評分[44]。因此,相較于單純應用經顱直流電刺激,采用經顱直流電刺激聯合運動訓練的方案在改善慢性腰痛疼痛評分及功能障礙方面,可能更具有治療效果。為此,有學者指出,單純無創性腦調控治療對慢性腰痛的治療作用可能效果有限[45],無創腦調控聯合運動療法可能更具有積極的治療作用。然而,盡管目前的研究提示M1區經顱直流電刺激聯合運動訓練在慢性腰痛中可能起到治療作用,但其具體治療機制仍不甚清楚,后續值得開展相關的治療機制研究。

綜上所述,關于靶向慢性腰痛運動控制相關皮層的腦調控治療研究中,人們較多關注慢性腰痛的M1區經顱直流電刺激治療研究。然而,關于慢性腰痛SMA及PMC等運動控制相關腦區的無創腦調控研究仍較少報道。同時,盡管重復經顱磁刺激、經顱交流電刺激對慢性腰痛的治療作用亦展現出潛在的治療價值[46-47],然而,其在慢性腰痛運動控制相關皮層中的腦調控研究亦較少報道。因此,慢性腰痛運動控制相關皮層的無創腦調控治療研究仍處于起步階段。有限的關于M1區腦調控治療作用的研究中,其治療機制亦不甚清楚。

4 小結

近些年研究提示,慢性腰痛患者M1區、SMA區、PMC等運動控制相關皮層可能發生了功能改變,然而,這些相關皮層功能改變與慢性腰痛運動控制及慢性腰痛發病過程之間的關系及可能作用機制仍不甚清楚。深入探討慢性腰痛運動控制相關皮層功能改變機制有助于進一步揭示慢性腰痛運動控制改變的中樞機制。同時,針對慢性腰痛運動控制相關皮層的無創性腦調控研究,存在諸多空白領域,且其對慢性腰痛的治療作用具有爭議。這可能與慢性腰痛本身病因異質性、無創腦調控方法及相關操作規范等均有關系。因此,針對慢性腰痛的無創性腦調控康復治療研究,仍值得進一步深入研究,這將為慢性腰痛的精準化康復治療提供潛在的康復手段。