王一托，李功杰，喬鵬崗

（解放軍第307醫(yī)院放射科，北京　100071）

?綜述?

BOLD-fMRI在腦卒中患者觸覺功能康復過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

王一托，李功杰，喬鵬崗

（解放軍第307醫(yī)院放射科，北京100071）

腦血管意外；磁共振成像

以血氧水平依賴測量為原理的功能磁共振成像技術(shù)（BOLD-fMRI）是20世紀90年代在fMRI基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的腦功能成像技術(shù)，由于其具有無創(chuàng)性以及高空間分辨率的特點，目前被廣泛應(yīng)用于認知神經(jīng)科學、康復醫(yī)學、神經(jīng)內(nèi)、外科學等領(lǐng)域。Ogawa等［1］首先提出BOLD信號可以提供正常生理狀態(tài)下大腦實時的血氧分布情況，其原理是神經(jīng)元活動引起的局部耗氧量和局部腦血流量反應(yīng)性增加程度不匹配所導致的局部磁場性質(zhì)的變化。神經(jīng)元活動時，局部腦血流量的增加會使因代謝而生成的具有順磁性效應(yīng)的脫氧血紅蛋白濃度相對減少，表現(xiàn)出相關(guān)腦區(qū)信號的增強。因此，通過合理的實驗設(shè)計，利用BOLD-fMRI技術(shù)可以間接觀察神經(jīng)元的激活以及大腦功能區(qū)的連接情況，是活體研究人腦科學的有效手段。

腦卒中是腦血液循環(huán)障礙性疾病，可以造成終身殘疾，超過一半患者的日常生活需要專業(yè)人員的幫助［2］。感覺障礙是腦卒中后的常見癥狀，發(fā)生率約為60%，卒中患者要想控制他們的站姿需要視覺、聽覺以及本體感覺刺激信息的共同傳入［3］，所以，現(xiàn)代康復不僅要求卒中患者運動功能的康復，也要求其淺、深感覺可以達到令患者比較滿意的結(jié)果［4］。有證據(jù)表明卒中后康復病人與其未受累腦區(qū)的代償以及皮質(zhì)重塑有關(guān)［5］，BOLD-fMRI可以作為研究卒中后神經(jīng)重塑機制、評價康復治療效果的一個重要手段。

1　觸覺刺激與對應(yīng)布羅德曼分區(qū)的關(guān)系

觸覺是一種全身廣泛分布并且受人體主觀因素影響的復雜感覺。人體皮膚表面分布著不同類型的觸覺感受器，在接受觸覺刺激時會轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號傳遞到高級中樞進行分析。軀體感覺中樞是軀體感覺的最高級中樞，主要位于大腦皮質(zhì)的中央后回，即第一軀體感覺區(qū) （Primary somatosensory area，S1）。與此同時，還存在第二軀體感覺區(qū)（Second somatosensory area，S2），該區(qū)與第二軀體運動區(qū)相重疊，包括BA40及BA43的部分皮質(zhì)［6］，主要與雙側(cè)感覺（以對側(cè)感覺為主）有關(guān)［7］。

布羅德曼分區(qū)（Brodmann，BA）是一個根據(jù)細胞結(jié)構(gòu)將大腦皮層劃分為一系列解剖區(qū)域的系統(tǒng)，最早由德國神經(jīng)科醫(yī)生提出。BA包括每個半球的52個區(qū)域，其中一些區(qū)域今天已經(jīng)被細分，例如BA3被分為3a和3b兩個亞區(qū)等。有學者根據(jù)研究提出［8］，處理與觸覺信息有關(guān)的腦區(qū)包括BA3、1、2、BA4，BA5、7，BA40及BA13-16。BA3，1，2（S1）與一般觸覺、振動覺、溫度覺、痛覺的定位以及手指的本體感覺有關(guān)；BA4（初級運動皮層）與振動觸覺頻率的分辨以及手指的本體感覺有關(guān)；BA5，7（軀體感覺聯(lián)合皮層）與一般觸覺的定位有關(guān)；BA40（緣上回）與軀體感覺空間定位以及一般觸覺和本體感覺信息的整合有關(guān)；BA13-16（島葉皮層）可能參與痛覺及一般觸覺信息的整合。

2　fMRI中的觸覺刺激裝置

大多數(shù)與觸覺刺激相關(guān)的fMRI研究是在3.0T磁共振儀下進行的，隨著fMRI技術(shù)的發(fā)展，4.0T、7.0T磁共振儀也被應(yīng)用到了實驗研究當中去。如Besle等［9］利用7.0T磁共振儀發(fā)現(xiàn)通過振動觸覺刺激單側(cè)手的不同手指會在S1產(chǎn)生激活區(qū)的重疊現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)在S1中，亞區(qū)3b比亞區(qū)1重疊區(qū)域明顯減少，推測前者比后者在分析振動觸覺時有著更高的特異性。區(qū)別于運動實驗，在設(shè)計感覺功能fMRI實驗時，需要根據(jù)不同的實驗需求開發(fā)設(shè)計合適的體感刺激裝置。國外學者對觸覺的研究比較全面，針對不同刺激手段 （振動、氣流、圖案、電流、針刺、激光、溫度等）搭建了多種復雜的自動刺激裝置。國內(nèi)刺激手段比較簡單（如針刺穴位、電流、溫度刺激等），且基本上都是人工進行［10］。目前，應(yīng)用于感覺功能的fMRI自動刺激裝置面臨的主要問題是成熟的刺激手段和商用裝置還相對較少，標準的刺激模式也還沒有建立。隨著fMRI研究的不斷深入，對觸覺刺激裝置的需求將日益迫切。

3　fMRI在腦卒中后觸覺功能康復中的應(yīng)用

腦卒中的BOLD-fMRI研究對象多為腦卒中慢性恢復期的患者，這是因為腦卒中急性期的BOLD信號會受到一些潛在因素的影響，比如此階段血流動力學響應(yīng)函數(shù)（Hemodynamic resPonse function，HRF）因受到腦血流的急劇變化而表現(xiàn)的不穩(wěn)定，腦血管失去對腦血流量自動調(diào)控的功能［11］；同時，處于急性期的病人很難正確完成事先安排的動作，并且可能引入其他無關(guān)刺激影響腦皮質(zhì)激活的情況。然而，Manganotti等［12］通過 SOHIA（Selection of OPtimal HRF and Image Analysis）的分析方法克服了個體間HRF的可變性，并通過被動任務(wù)（正中神經(jīng)電刺激）最終得到了卒中急性期（發(fā)病后12～48小時之內(nèi)）的圖像。正中神經(jīng)電刺激可以使對照組對側(cè)輔助運動皮層（SMA）、對側(cè)S1、雙側(cè)S2、雙側(cè)島葉皮層和同側(cè)小腦激活，而腦卒中急性期部分患者雖然存在對側(cè)S1和雙側(cè)S2激活，但是激活程度比對照組要低的多，甚至存在S1、S2沒有激活的情況，只是全腦可見散在的激活區(qū)域。運用這種 “個體化”HRF分析可以在腦卒中急性期的病人中發(fā)現(xiàn)感覺刺激后BOLD激活信號的缺失與較差的臨床恢復密切相關(guān)。

接觸人類皮膚的觸覺分為低頻觸覺（靜止接觸）和高頻觸覺（顫動和振動）［13］。Chung等［14］認為，低頻觸覺信息的傳入存在“平行式”和“連續(xù)式”兩種方式，前者為一側(cè)觸覺信息可以同時傳遞到對側(cè)S1和S2；后者為一側(cè)觸覺信息先傳遞到對側(cè)S1，這種經(jīng)過處理過的觸覺信息再通過S1傳遞到同側(cè)S2，類似的，對側(cè)S2到同側(cè)S2之間也存在著這種觸覺信息傳遞的過程。有接近一半的卒中病人在恢復期會出現(xiàn)觸覺分辨力障礙［15］。Borstad等［16］對10名患有觸覺分辨力障礙的左側(cè)腦卒中患者進行BOLD-fMRI及彌散張量成像（DTI）研究時發(fā)現(xiàn)，在對照組中，對側(cè)S1、雙側(cè)S2、雙側(cè)中央前回以及雙側(cè)小腦顯著激活；與正常對照組相比，實驗組激活峰位于健側(cè)顳上回、S2及健側(cè)小腦，并且發(fā)現(xiàn)頂葉皮層和額葉皮層的激活區(qū)更加的分散，可能提示大腦皮層產(chǎn)生了廣泛的代償作用。雖然實驗結(jié)果提示頂葉皮層的激活程度與感覺功能明顯相關(guān)，但是，并沒有發(fā)現(xiàn)觸覺分辨力的恢復程度與患側(cè)S1激活程度具有相關(guān)性。Carey等［17］亦發(fā)現(xiàn)皮層下腦卒中患者患側(cè)S1的激活與對側(cè)手觸覺分辨力之間沒有相關(guān)性。在Borstad的實驗組中，腦皮質(zhì)激活最顯著部位位于左側(cè)楔前葉，且激活的峰值與觸覺分辨力的大小之間有著很大的聯(lián)系，該研究認為，除了S1和S2，楔前葉皮層和丘腦——大腦皮層神經(jīng)連接也參與了卒中后患者觸覺分辨力障礙的形成，針對楔前葉的靜息態(tài)功能磁共振研究發(fā)現(xiàn)其功能與感覺處理相關(guān)腦區(qū)（后頂葉皮層、軀體感覺皮層、島葉、緣上回、額中回）之間是有聯(lián)系的［18］。

大腦雙側(cè)半球會根據(jù)處理任務(wù)類型的不同表現(xiàn)出不同的激活情況。Van Boven等［19］研究發(fā)現(xiàn)人類的左腦可能更多的參與到對各種物體形狀的區(qū)分，而右腦更多的參與對物體的空間位置的辨認。因此，在依賴于要求患者指認不同物體特點的這類實驗中，左側(cè)和右側(cè)大腦半球本身就可能會產(chǎn)生不同的激活情況。觸覺失認是腦卒中感覺障礙的表現(xiàn)之一，通常是因為中央后回、S2、后頂葉皮質(zhì)受到損害而產(chǎn)生的結(jié)果［20］。Notturno等［21］在對一名丘腦卒中并發(fā)觸覺失認的患者進行BOLD-fMRI及DTI研究時發(fā)現(xiàn)，在對健側(cè)手進行觸覺分辨任務(wù)時，雙側(cè)額葉，同側(cè)額中回、后扣帶回、對側(cè)中央后回、顳下回、島葉皮層顯著激活，表現(xiàn)為正常的雙側(cè)額-頂葉感覺信息傳遞網(wǎng)絡(luò)；相比之下，患側(cè)手執(zhí)行任務(wù)時，只有同側(cè)軀體感覺皮層、部分枕葉皮層出現(xiàn)激活，反映出患側(cè)手執(zhí)行觸覺分辨任務(wù)時相應(yīng)腦區(qū)的激活受到抑制，并局限于單側(cè)大腦半球。

近年來BOLD-fMRI技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于評估卒中病人的康復情況。在評價運動功能康復方面，大多采用比較不同康復手段引起不同大腦功能區(qū)激活來提示其對卒中后神經(jīng)重塑的調(diào)節(jié)作用，評價感覺功能康復的研究較少。Carey等［22］對1例卒中后伴隨觸覺功能喪失（6月后觸覺功能康復）的患者進行恢復期全腦BOLD-fMRI研究中發(fā)現(xiàn)：在卒中后早期（2周內(nèi)）感覺功能嚴重受損的患者沒有出現(xiàn)神經(jīng)重塑的現(xiàn)象，在卒中后3月患側(cè)S1和雙側(cè)S2被重新激活，提示卒中后軀體感覺的恢復與相應(yīng)腦功能區(qū)的重新激活有著明顯的相關(guān)性。在評價卒中后運動功能恢復情況的實驗中，如果是采用被動運動的實驗方法，可以間接反映患者本體感覺及觸覺功能區(qū)的恢復情況。Tombari等［23］對10名單側(cè)皮層下卒中患者進行縱向研究發(fā)現(xiàn)，患者分別在卒中后1月、4月、12月執(zhí)行被動任務(wù)時，患側(cè)BA 40、S2隨著患者運動功能的康復出現(xiàn)激活增加的現(xiàn)象，可能提示BA 40、S2參與了卒中患者運動能力恢復的過程。

經(jīng)過20余年的發(fā)展，BOLD-fMRI技術(shù)日趨成熟，使我們對人類大腦結(jié)構(gòu)和功能有了嶄新的認識。在對卒中后功能障礙患者的研究中，由于涉及到感覺功能康復的實驗設(shè)計較為復雜以及感覺功能評價受患者主觀因素影響過大，大多數(shù)只是針對卒中后運動功能康復的研究。感覺功能康復的研究目前還只是停留在實驗研究階段，若要發(fā)展到臨床應(yīng)用，還需要大樣本量的臨床縱向研究、合理感覺功能評價量表的制定、標準刺激裝置的建立等。但總體來說，對于腦卒中患者，利用BOLD-fMRI技術(shù)可以為腦功能區(qū)的重組和皮質(zhì)重塑提供直觀的證據(jù)，并且可以根據(jù)卒中后不同時期的激活特點制定個體化治療方案，盡量使患者達到比較理想的恢復程度［24］。

［1］Ogawa S，Lee TM，Kay AR，et al.Brain magnetic resonance imaging with contrast dePendent on blood oxygenation［J］.PNAS，1990，87（24）:9868-9872.

［2］Dijkhuizen RM，van der Marel K，Otte WM，et al.Functional MRI and Diffusion Tensor Imaging of Brain Reorganization After ExPerimental Stroke［J］.Transl Stroke Res，2012，3（1）:36-43.

［3］Bonan IV1，Marquer A，Eskiizmirliler S，et al.Sensory reweighting in controls and stroke Patients［J］.Clin NeuroPhysiol，2013，124（4）:713-722.

［4］楊宇琦，張通.腦卒中后的感覺障礙研究進展［C］.2010年北京地區(qū)神經(jīng)內(nèi)科學術(shù)年會論文集，2010：170-175.

［5］Ward NS.Neural Plasticity and recovery of function［J］.Prog Brain Res，2005，150:527-535.

［6］Benarroch EE.Basic neurosciences with clinical aPPlications［M］. UK，Edinburgh:Butterworth Heinemann，2006:441-442.

［7］柏樹令.系統(tǒng)解剖學［M］.2版（修訂本）.北京：人民衛(wèi)生出版社，2010：369.

［8］Wanchai.Cortical Functions［M］.Hong Kong:Trans Cranial Technologies ldt，2012:60-61.

［9］Besle J，Sánchez-Panchuelo RM，Bowtell R，et al.Event-Related fMRI at 7T Reveals OverlaPPing Cortical RePresentations for Adjacent FingertiPs in S1 of Individual Subjects［J］.Hum Brain MaPP，2014，35（5）:2027-2043.

［10］王驍冠，祝禎偉，徐雅潔，等.功能磁共振成像自動刺激裝置研究進展［J］.中國醫(yī)療設(shè)備，2013，28（1）：1-8.

［11］BonakdarPour B，Parrish TB，ThomPson CK.Hemodynamic resPonse function in Patients with stroke-induced aPhasia:ImPlications for fMRI data analysis［J］.Neuroimage，2007，36（2）:322-331.

［12］Manganotti P，Storti SF，F(xiàn)ormaggio E，et al.Effect of mediannerve electrical stimulation on BOLD activity in acute ischemic stroke Patients［J］.Clin NeuroPhysiol，2012，123（1）:142-153.

［13］Delmas P，Hao J，Rodat-DesPoix L.Molecular mechanisms of mechanotransduction in mammalian sensory neurons［J］.Nat Rev Neurosci，2011，12（3）:139-153.

［14］Chung YG，Han SW，Kim HS，et al.Intra-and inter-hemisPheric effective connectivity in the human somatosensory cortex during Pressure stimulation［J］.BMC Neurosci，2014，15:43.

［15］Carey LM，Matyas TA.Frequency of discriminative sensory loss in the hand after stroke in a rehabilitation setting［J］.J Rehabil Med，2011，43（3）:257-263.

［16］Borstad A，Schmalbrock P，Choi S，et al.correlates suPPorting sensory discrimination after left hemisPhere stroke［J］.Brain Res，2012，1460:78-87.

［17］Carey LM，Abbott DF，Harvey MR，et al.RelationshiP between touch imPairment and brain activation after lesions of subcortical and cortical somatosensory regions［J］.Neurorehabil Neural Re-Pair，2011，25（5）:443-457.

［18］Zhang S，Li CS.Functional Connectivity MaPPing of the Human Precuneus by resting State fMRI［J］.Neuroimage，2012，59（4）: 3548-3562.

［19］Van Boven RW，Ingeholm JE，BeauchamP MS，et al.Tactile form and location Processing in the human brain［J］.PNAS，2005，102（35）:12601-12605.

［20］Bohlhalter S，F(xiàn)retz C，Weder B.Hierarchical versus Parallel Processingintactileobjectrecognition:Abehavioural-neuroanatomicalstudyofaPPercePtivetactileagnosia［J］.Brain，2002，125（Pt 11）:2537-2548.

［21］Notturno F1，SePe R，Caulo M，et al.Pseudocortical and dissociate discriminative sensory dysfunction in a thalamic stroke［J］. Cortex，2013，49（1）:336-339.

［22］Carey LM，Abbott DF，Puce A，et al.Reemergence of activation with Poststroke somatosensory recovery:a serial fMRI case study［J］.Neurology，2002，59（5）:749-752.

［23］Tombari D，Loubinoux I，Pariente J，et al.A longitudinal fMRI study:in recovering and then in clinically stable subcortical stroke Patients［J］.Neuroimage，2004，23（3）:827-839.

［24］Thirumala P，Hier DB，Patel P，et al.Motor recovery after stroke:lessons from functional brain imaging［J］.Neurol Res，2002，24（5）:453-458.

Applications of BOLD-fMRI in tactile functional rehabilitation induced by stroke

WANG Yi-tuo，LI Gong-jie，QIAO Peng-gang
（Department of Radiology，307 Hospital of PLA，Beijing 100071，China）

R743.3；R445.2

B

1008-1062（2015）09-0671-03

2015-01-07；

2015-03-25

王一托（1989-），男，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士研究生。

喬鵬崗，解放軍第307醫(yī)院放射科，100071。

北京市自然科學基金（青年基金項目），資助編號：7144231。