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周围神经损伤后脑功能重组MR成像研究进展

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国际医学放射学杂志Int J Med Radiol 2013 Sep;36(5):428—430:438 综 述 敲 聱 周围神经损伤后脑功能重组MR成像研究进展 王2-卫刘含秋 【摘要】近年来,随着功能磁共振成像技术的发展,脑的可塑性和功能重组成为中枢神经系统影像学研究的 热点。其中,周围神经损伤后脑功能重组和康复有一定的规律。就脑功能磁共振成像技术的进展及其应用在周吲 .~懈 ~~一_一呈一.量 一~一 一~一一~一~一.一一~ 一~Op  e一H岫~ 一~m  一一一~ ~~nm  一k~坞  F一Ⅳd一 n“ 川 y.m 神经损伤后脑功能重组的国内外临床及实验研究现状予以综述。 【关键词】脑;周围神经损伤;功能重组;血氧水平依赖;功能磁共振成像 DO1:10.3874 ̄.issn.1674—1897.2013.05.Z0501 1脑功能磁共振成像的研究进展 ~=一 .mwe蚕 m  K 一 .一~a㈨ 一~ 一瓜.差㈨~ -一m。o 一=~dⅢ霎  一_一霎 一_m薹垂 =行分析,静息态功能连接磁共振成像(functional 解剖上密切联系的神经环路局部 功能磁共振成像(functional MRI, RI)是近20 connectivity MRI,feMRI)能够完整地揭示功能上和 年来在常规MRI基础上迅速发展起来的一种新的 成像技术。当其用于直接或间接观察神经元活动或 神经通路时,称为脑功能磁共振成像lll,它为探索人 脑高级功能活动提供了新的方式.并逐渐成为目前 最重要的无创活体脑功能检测的影像学手段之一。 狭义的 RI指血氧水平依赖功能磁共振成像 (blood oxygen-level dependent fMRI,BOLD-fMRI), 广义的fMRI包括3类:①脑血流测定技术,包 括注射对比剂的灌注加权成像和不需注射对比剂 的动脉自旋标记技术;②脑代谢测定技术,包括磁 共振波谱成像;③扩散成像技术,包括扩散加权成 像、扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)和 白质纤维束成像I1l。 传统的fMRI研究中依赖BOLD—fMRI,主要集 中于脑功能激活区定位以及对局部脑功能区特点 进行分析等方面,但随着fcMRI的发展,越来越多 的研究者认识到各个脑区之间不是相互的,而 是通过相互联系,共同组成复杂的脑网络系统来执 其成像机制基于神经元功能活动对局部耗氧量和 脑血流影响程度不匹配所导致的局部磁场性质变 化的原理。BOLD—fMRI主要有两种应用模式,即任 务态和静息态。任务态方法是利用各种刺激诱导局 部脑组织血氧信号发生变化,间接反映神经元的活 动。静息态功能磁共振成像(fMRI)是指受试者保持 清醒,不接收任何外部刺激或执行任何任务的状态 下.双侧大脑半球感觉运动皮质的BOLD信号的自 发活动 。静息态fMRI主要运用功能连接的方法进 作者单位:200040上海,复旦大学附属华山医院放射科(王卫 卫为复旦大学附属华山医院2012级研究生) 通讯作者:刘含秋,E—mail:drhancher@163.COliq 审校者 行功能_3_。由于功能影像学可以同时对脑的多个部 位甚至全脑的活动进行测量,因此非常适用于研究 脑区间的功能相关性。fcMRI目前主要应用于精神 性疾病的病因、发病机制等研究中,如阿尔茨海默 病_4_5]、精神症[¨]、多动症[ 叫等,并取得了较大进 展。同时,在脑卒中后l 叫或神经胶质瘤术后… 卤功能 的恢复方面也见报道。 428 同际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2013 Sep;36(5) 此外 fMRI另外一个发展趋势就是将结构和功 能两种成像技术联合应用于脑的研究,使皮质功能 区和皮下传导束的研究融为一体,在神经解剖及神 经功能之间架起了一座桥梁。DTI是利用组织中水 分子扩散运动存在的各向异性来显示组织微观结 构的成像方法。在病理情况下,尤其是白质纤维束 受累及时,导致白质纤维束的破坏、分解,而后再生 和重组.最终表现为组织的各向异性分数(fractional anisotropy,FA)、表观扩散系数(apparent diffusion coefifcient,ADC)等改变。目前两者的联合应用主要 集中在脑卒中[12-13]、脑肿瘤[14-15】和脑外伤【 61等方面,用 以显示病灶、功能皮质以及邻近白质纤维束{者之 间的空间位置关系,辅助制定治疗方案(如手术方 案).而且可以评价白质纤维束损伤程度对皮质功 能的影响,从而估计预后。近年来,基于体素的形态 测量学voxel—based morphometry,VBM)的发展为脑 形态学研究提供了重要手段,VBM是一种在体素水 平对脑MR影像进行分析的技术,能定量计算局部 灰、白质密度和体积的改变,以分析脑结构微小变 化.发现隐匿性脑结构损伤。目前国外对此方面的 研究已经逐步深入.日渐成为研究的热点。 2周围神经损伤后脑的可塑性变化和功能重组 动物和人的脑功能区在某些病理情况下可出 现可塑性和功能重塑的改变,脑的可塑性变化是指 神经系统适应环境变化发生的脑结构、功能的变 化:功能重组是指脑的功能定位域对重塑性变化的 反应,分为感觉皮质功能重组和运动皮质重组。感 觉皮质功能重组有两重意义:即一部分感觉皮质受 损,其邻近皮质有重组功能,最大限度地替代受损 皮质的功能;外周靶器官破坏时,感觉皮质对其残 存组织的边缘传入发生反应性功能重组。近年来, 大量的实验、临床研究证实周围神经损伤后脑功能 重组的存在l17 9】,并证明皮质功能的可塑性具有个 体差异,受遗传 、年龄及时间l2】j等因素的影响。一 项大鼠的动物模型伽RI研究表明同侧及对侧皮质 激活区随时间发生变化,对全臂丛神经根性撕脱伤 大鼠行神经根移位术后,分别于2、8、l6、20、28及 40周刺激患肢前爪,同侧皮质激活区逐渐减少,而 对侧激活区逐渐增大,表明术后成功实现跨大脑两 侧半球的功能重组 1。少数人体研究的临床实验也 探索了周围神经损伤神经移位术后跨大脑半球的 功能重组情况 ,感觉传人和运动传出的变化可以 引起大脑感觉和运动区的可塑性改变,成脑在 周围神经系统出现病变之后,仍然具有明显的重组 能力。 值得关注的是,脑的可塑性不仅体现在神经元 自身修复及神经网络的重组上,更是微环境相关细 胞、分子,甚至基因调节的综合结果。脑功能重组的 研究在生物大分子水平也有一些发现。Hernandez— Ortega等[24 l关于成熟神经元的细胞周期的研究发现 伴随细胞周期的某些蛋白质的表达与脑的可塑性 有关。与此同时,国内外研究者在动物研究中相继 发现脑源性神经营养因子(brain—derived neurotrophic factor,BDNF)[吲、脑内受体『如Ot一氨基一3一羟基一5一甲 基_4一异恶唑丙酸受体(o ̄-amino一3-hydroxy-5一methyl一 4一isoxazole—propionic acid receptor,AMPA受体f )1、 三磷酸鸟苷(guanosine triphosphate GTP)酶激活蛋 白GAP一43 L271等均参与脑的功能重组,这些分子水平 的变化可能是脑功能重组的基础 3 周围神经损伤后脑功能重组的fMRI研究现状 3.1周围神经损伤后脑的功能可塑性 以往一些 研究均显示了短期内脑功能重组的变化,而对于神 经损伤后1年甚至10年以上的变化未曾提及。 Yoshikawa等[ 利用BOLD—fMRI研究了20例臂丛 损伤肋间神经移植术后的病人,伤后1~3年脑功能 重组的情况,结果显示患肢对侧感觉运动皮质 (sensorimotor cortex,SMC)激活区大小在伤后3个 月有缩小趋势,于伤后1年达到最小:患肢运动时 激活区主要位于患肢同侧运动皮质.说明支配患肢 运动的脑区由原来的患肢对侧“转移”到患肢同侧 大脑皮质,实现了跨大脑半球的运动功能重组,并 最终随肢体功能恢复,患肢对侧SMC激活区功能恢 复。Ros6n等【捌进行了更长时间的随访,对正中神经 损伤后l4年的病人的患侧和健侧手指给予触觉刺 激,结果发现患手初级躯体感觉皮质的激活区大于 健手。这些研究表明,周围神经损伤神经移位术后 脑功能重组是多机制、多层次、多通路的结果,最终 大脑试图利用原功能区来恢复对患侧肢体的控制。 应用BOLD—fMRI动态观察脑功能重组对于病人的 远期预后非常有意义,但是不同个体、不同术式、不 同程度的神经损伤是否变化不同需要进一步探索。 大脑中的神经细胞在静息状态也存在协同作 用,那么静息状态下脑功能重组是否存在特征性的 变化?各个脑区之间的功能连接是否发生变化? Pawela等p叫应用BOLD—fMRI和fcMRI研究了大鼠 大脑半球神经可塑性。将大鼠臂丛4条主要神经横 切,2周后直接刺激健侧桡神经,利用BOLD—fMRI 观察亚急性神经可塑性,揭示了其不同于正常大鼠 429 同际医学放射学杂志Int J Med Radiol 2013 Sep;36(51 的前肢感觉运动皮质的激活模式。并以BOLD—fMRI 试验结果划定fcMR1分析的种子体素区域.第一次 发现周围神经系统损伤后大脑运动感觉皮质静息 状态下的变化:两侧大脑半球感觉运动的前肢代表 区内半球连接性很大程度上未受去传人的影响,而 是发生了连接性功能断裂。此外,丘脑核团内部和 半球问发现显著的连接性的变化。IJiu等【3】】首次研究 了人臂丛损伤后fcMRI改变,结果显示双侧大脑半 球初级运动区之间的静息态功能连接状态并不是 一成不变的。臂丛神经损伤后,两侧初级运动区功 能连接性下降,这为周围神经损伤后脑功能重组提 供了新的研究点。 3.2周围神经损伤后脑的结构可塑性 传统的脑 可塑性变化的影像学研究主要集中在功能方面.即 关注大脑皮质在周围神经系统损伤后的变化,从而 忽略了脑的结构可塑性。Taylor等_32】第一次联合应 用BOLD—fMRI、DTI、高分辨力T。全脑容积分析以 及神经传导测试证明了上肢周围神经系统损伤术 后大脑皮质功能和结构重组,包括灰质和白质的异 常。其研究表明:①术后1年半,对病人右侧食指进 行振动刺激,左侧初级和次级躯体感觉皮质、带状 同前膝部、右侧前岛叶等脑区灰质减少。甚至在一 些可以探测到血氧水平依赖信号的区域也可以发 现灰质的减少;②在后回区域.灰质变薄点与 振动触觉刺激后BOLD信号减少相关,其中,灰质 层越薄,躯体感觉功能恢复越差;③不完全的周围 神经再生导致躯体感觉恢复、皮质灰质萎缩和 RI 活化区减少。Sokki等 采用fMRI和DTI的方法证 实了臂丛损伤肋间一肌皮神经植入术后脑功能重 组,并观察到17例屈肘功能改善的病人患肢与健 肢相比。FA和ADC值减少.但其减少和对照组以及 病人术前检查值无显著差异,进而表明屈肘运动功 能改善的程度与运动皮质代表区的重组及其激活 程度无关。 4问题与展望 综上所述,fMRI在周围神经损伤脑功能重组的 研究中具有不可或缺的作用,但fMRI仍存在许多 技术和临床实践问题。例如,BOLD—fMRI和DTI均 采用平面回波成像(echo planar imaging,EPI)序列 扫描,存在影像变形和运动伪影等缺点,还受影像 信噪比、空间分辨力、部分容积效应等影响。同时脑 功能重组的研究集中于中枢神经损伤后,在一定程 度上忽略了周围神经损伤后脑功能重组,并且研究 样本量相对较少,缺少对临床亚型的深入探索。 430 传统的脑功能重组的影像学研究主要集中在 BOLD—fMRI,而BOLD—fMRI、fcMRI和DTI具有较 强的互补性,联合应用这些先进的成像技术.可以 取长补短,全方位、多角度地将解剖与功能、静息与 激动、局部与整体联系起来,无创评估周围神经系 统损伤后脑功能重塑的过程、机制,为寻找及研发 新的功能康复方法提供有效的支持。此外,也应当 客观认识这些成像技术的优缺点。相信随着影像技 术的发展,多种MR技术的联合应用在脑功能重组 的研究中将具有广阔的前景。 参考文献: [1】冯晓源,刘含秋.功能磁共振成像在中国的研究现状[JI.中国医 学计算机成像杂志 2O04.1O:292—298. 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