高靜純,鄭玉琳,陳泰澍,楊燦洪,李奇雄,劉松巖,張 晶,陳俊琦
南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院1康復(fù)醫(yī)學(xué)科,3神經(jīng)內(nèi)科,廣東 廣州 510630;2南方醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院,廣東 廣州 510515;4吉林大學(xué)附屬中日聯(lián)誼醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,吉林 長春130033
急性缺血性腦卒中是導(dǎo)致人類死亡和殘疾的主要原因[1-4],及時的診斷和治療是降低死亡率和致殘率的根本之措。傳統(tǒng)的CT、MRI等結(jié)構(gòu)成像能快速確定病灶的結(jié)構(gòu)和范圍,但僅能反映腦細胞受損的最終結(jié)局。生理學(xué)家發(fā)現(xiàn),大腦各種神經(jīng)活動是在腦區(qū)的相互協(xié)調(diào)和兩側(cè)大腦半球的緊密配合下完成的[5]。因此,腦卒中發(fā)生后,大腦的改變遠比結(jié)構(gòu)成像所見的要更復(fù)雜多變。近年來隨著功能成像技術(shù)的進步與發(fā)展,靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)(rs-fMRI)的出現(xiàn),為探索腦卒中的腦功能變化提供了新的視角。研究者利用rs-fMRI發(fā)現(xiàn)大腦在靜息狀態(tài)下存在相對穩(wěn)定的腦功能網(wǎng)絡(luò)[6],發(fā)生腦卒中后,腦區(qū)之間的聯(lián)系發(fā)生改變,功能網(wǎng)絡(luò)也出現(xiàn)了重組。研究腦卒中發(fā)病后多重功能網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜改變,能從腦功能水平早期揭示腦的病理生理變化[6],可以進行針對性治療,對患者功能恢復(fù)更具意義。
優(yōu)勢大腦半球(左半球)與非優(yōu)勢大腦半球(右半球)具有功能不對稱性,兩側(cè)大腦半球也存在相互制約關(guān)系[7]。我們猜測不同大腦半球的腦卒中患者,其大腦的腦功能改變應(yīng)該各具特異性,然而目前缺乏相關(guān)研究。因此,本研究擬采用rs-fMRI技術(shù)探究非優(yōu)勢大腦半球(右半球)急性缺血性腦卒中患者大腦的功能網(wǎng)絡(luò)改變,以期為急性腦卒中的治療提供神經(jīng)影像學(xué)依據(jù)。
基于腦卒中患者在rs-fMRI圖像采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的復(fù)雜性和特殊性,以及參考國內(nèi)外有關(guān)腦卒中患者運動功能障礙的影像學(xué)文獻[8-9],同時考慮20%的脫落率,每組納入15例受試者。選擇2017年1~12月在吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院招募的15例健康中老年受試者作為正常組。納入標準:年齡40~70歲,男女不限;飲食規(guī)律,不嗜煙、酒,24 h內(nèi)無飲茶和咖啡,睡眠正常,體型適中;近1月內(nèi)未接受過頭顱針刺和頭部物理因子治療;右利手(應(yīng)用北京醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科的利手判定標準進行利手判定);簽署知情同意書,自愿接受試驗者。排除標準:既往有腦卒中病史;感覺性失語/混合性失語,或有幽閉恐怖癥、癡呆等精神病史,影響實驗過程中的交流和操作者;妊娠、哺乳期婦女;體內(nèi)有金屬類物質(zhì)(如心臟支架);存在腦血管病理性變異者;兼有其他心血管、腎、肝疾病及腫瘤,且影響試驗結(jié)果者;有高血壓或糖尿病或甲狀腺疾病病史,且近期病情控制不佳者。正常組有1例在試驗中睡著,2例T1 MPRAGE掃描參數(shù)與試驗設(shè)計不同,數(shù)據(jù)均予以剔除,最終納入12例健康受試者,男性4例,女性8例,年齡56.17±3.83歲(表1)。
招募非優(yōu)勢大腦半球急性缺血性腦卒中的患者15例,為卒中組(母語為漢語的人種中,右利手者優(yōu)勢大腦半球多為左側(cè)大腦半球[10],故本試驗中15例右利手受試者的優(yōu)勢大腦半球為左側(cè)大腦半球,非優(yōu)勢大腦半球為右側(cè)大腦半球)。納入標準:符合中華醫(yī)學(xué)會神經(jīng)病學(xué)分會腦血管病學(xué)組于2014年發(fā)布的《中國急性缺血性腦卒中診治指南2014》的相關(guān)診斷標準[11];經(jīng)MRI或者CT檢查,確診為右側(cè)大腦中動脈供血區(qū)皮質(zhì)下梗塞,表現(xiàn)為典型的偏身運動和感覺障礙者;病情比較穩(wěn)定者;年齡40~70 歲;接受西醫(yī)常規(guī)藥物治療(尤瑞克林、丁苯酞等促進側(cè)支循環(huán)藥物除外);飲食、睡眠、體質(zhì)量基本正常,不嗜煙酒茶咖啡等;右利手;簽署知情同意書,自愿接受試驗者。排除標準:病程長于72 h者;經(jīng)CT檢查伴有腦出血者;存在腦血管病理性變異者;兼有其他心、腎、肝疾病及腫瘤,且影響試驗結(jié)果者;有意識障礙,或感覺性失語/混合性失語,或有幽閉恐怖癥、癡呆等精神病史,影響實驗過程中的交流和操作者;妊娠、哺乳期婦女;體內(nèi)有金屬類物質(zhì);同時接受經(jīng)顱磁刺激治療,或經(jīng)顱直流電治療,或腦電生物反饋治療者;有高血壓或糖尿病或甲狀腺疾病病史,且近期病情控制不佳者。卒中組中有3例患者因不能耐受長時間的磁共振掃描,未能完成fMRI-BOLD數(shù)據(jù)收集,2例患者回波平面成像(EPI)掃描參數(shù)與試驗設(shè)計不同,數(shù)據(jù)均予以剔除,最終納入10 例患者,男性8 例,女性2 例,年齡59.40±7.65歲(表1)。本研究已獲得吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院倫理委員會的批準(No:2016ks043)。
表1 正常組和卒中組的一般資料Tab.1 General information of normal group ans stroke patients group
采用西門子3.0 T超導(dǎo)MRI 系統(tǒng)和標準頭部線圈,獲取T1 MPRAGE和rs-fMRI(EPI序列)為主的數(shù)據(jù)。技師要求受試者仰臥于磁共振掃描床,并將其頭部用泡沫墊固定在線圈內(nèi),以保持頭部不動。囑受試者保持清醒,用黑色眼罩遮蓋雙眼,海綿耳塞堵塞雙耳,封閉視聽,平靜呼吸,盡量不進行特定的思維活動。
T1 MPRAGE掃描參數(shù):3D TFE 序列橫斷面掃描,獲得全腦高分辨率T1WI解剖像。掃描參數(shù):脈沖時間2300 ms,回波時間2.45 ms,轉(zhuǎn)角8°,視野250 mm×250 mm,層厚1 mm,體素1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm,矩陣=256×256,層數(shù)192。
fMRI-BOLD掃描參數(shù):采用單次激發(fā)回波平面成像(EPI)技術(shù)橫軸位掃描。掃描參數(shù):脈沖時間2000 ms,回波時間30 ms,轉(zhuǎn)角90°,層厚3.5 mm,層間距0.7 mm,體素3.5 mm×3.5 mm×3.5 mm,視野224 mm×224 mm,重復(fù)次數(shù)240,矩陣=64×64,層數(shù)37,共8 min。
以功能連接作為本研究的觀察指標。由專人整理和保存數(shù)據(jù),包括受試者的一般資料,如年齡、性別、病程等及EPI為主的圖像數(shù)據(jù);并基于Matlab 2012a平臺,利用DPABI工具包啟動統(tǒng)計參數(shù)圖(SPM 12),對兩組數(shù)據(jù)進行去除時間點、時間校正、頭動校正、T1配準、去除協(xié)變量、去線性漂移、圖像濾波等處理后進行建模,計算各組患者功能連接值。
基于Matlab 2012a平臺使用DPABI工具包,對兩組功能連接值進行統(tǒng)計學(xué)分析,獲取統(tǒng)計參數(shù)圖,并進行識別、校正(TFCE校正,threshold<0.05),獲得功能連接值變化有統(tǒng)計學(xué)差異的腦區(qū)解剖位置及激活強度,由有經(jīng)驗的神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師根據(jù)解剖知識和臨床經(jīng)驗對其進行最后校正。以性別、年齡和頭動作為協(xié)變量。
一般資料采用SPSS20.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析,計數(shù)資料以率表示,組間比較采用χ2檢驗,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義;對符合正態(tài)性分布的計量資料以均數(shù)±標準差表示,組間比較采用兩獨立樣本t檢驗,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義(表1)。
以左后扣帶回(BA30)為主,向BA18、BA19、梭狀回、距狀裂周圍皮層延伸的腦區(qū),以左BA18為主的腦區(qū),以左側(cè)BA18、BA19為主的腦區(qū),以左楔葉(BA18)為主的腦區(qū),以左楔葉(BA19)為主的腦區(qū)功能連接增強(表2、圖1)。
圖1 與ROI4種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.1 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI4.
表2 與ROI4種子點的功能連接出現(xiàn)特異性變化的腦區(qū)Tab.2 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI4
以左BA18為主的腦區(qū),以左顳上回(BA42)為主的腦區(qū),以右楔前葉、楔葉為主的腦區(qū),以右楔前葉(BA7)為主的腦區(qū),以左楔葉,向左楔前葉延伸的腦區(qū),以右楔前葉為主的腦區(qū)功能連接增強(表3、圖2)。
圖2 與ROI6種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.2 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI6.
表3 與ROI6種子點的功能連接出現(xiàn)特異性變化的腦區(qū)Tab.3 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI6
以左距狀裂周圍皮層為主,向舌回延伸的腦區(qū),以左楔葉(BA19)為主的腦區(qū)功能連接增強(表4、圖3)。
圖3 與ROI17種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.3 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI17.
表4 與ROI17種子點的功能連接出現(xiàn)特異性變化的腦區(qū)Tab.4 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI17
以左梭狀回(BA37)為主的腦區(qū),以左小腦后葉(山坡)、梭狀回(BA37)為主的腦區(qū),以右梭狀回為主的腦區(qū),以右后扣帶回(BA30)和距狀裂周圍皮層為主的腦區(qū)功能連接增強(表5、圖4)。
圖4 與ROI26種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.4 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI26.
表5 與ROI26種子點的功能連接出現(xiàn)特異性變化的腦區(qū)Tab.5 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI26
以左梭狀回、舌回(BA19)為主的腦區(qū),以左舌回、距狀裂周圍皮層為主的腦區(qū),以左后扣帶回(BA30)、距狀裂周圍皮層為主的腦區(qū),以右楔前葉(BA7)為主,向左楔葉和BA7延伸的腦區(qū)功能連接增強(表6、圖5)。
圖5 與ROI29種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.5 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI29.
表6 與ROI29種子點的功能連接出現(xiàn)特異性變化的腦區(qū)Tab.6 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI29
以右小腦后葉(蚓結(jié)節(jié))為主的腦區(qū),以右顳中回(BA21)為主的腦區(qū),以左顳上回(BA38)和顳中回(BA21)為主的腦區(qū),以右梭狀回(BA37)和顳下回(BA20)為主的腦區(qū),以右側(cè)舌回和距狀裂周圍皮層為主的腦區(qū),以左側(cè)舌回(BA19)為主的腦區(qū),以右枕下回(BA19)為主的腦區(qū),以右側(cè)舌回為主的腦區(qū)功能連接增強(表7、圖6)。
圖6 與ROI30種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.6 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI30.
表7 與ROI30種子點的功能連接出現(xiàn)特異性變化的腦區(qū)Tab.7 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI30
以左側(cè)島葉(BA13)為主的腦區(qū)功能連接增強(T=5.6924,MiNi 坐標-42,6,3,圖7)。
圖7 與ROI45種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.7 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI45.
以左眶回(BA11)為主的腦區(qū)功能連接增強(T=8.4505,MiNi 坐標-6,33,-33,圖8)。
圖8 與ROI56種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.8 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI56.
左側(cè)豆狀殼核為主的腦區(qū)功能連接增強(T=5.1894,MiNi 坐標-27,9,0,圖9)。
圖9 與ROI67種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.9 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI67.
以左側(cè)豆狀殼核為主,向右側(cè)BA11、左側(cè)島葉(BA13)、右側(cè)額內(nèi)側(cè)回和左側(cè)直回延伸的腦區(qū),以左側(cè)額上回為主的腦區(qū),以左側(cè)額上回(BA10)為主的腦區(qū),以左側(cè)BA10為主的腦區(qū),以右尾狀核頭為主,向右側(cè)豆狀殼核延伸的腦區(qū),以左額下回三角部為主的腦區(qū)功能連接增強(表8、圖10)。
圖10 與ROI69種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.10 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI69.
表8 與ROI69種子點的功能連接出現(xiàn)特異性變化的腦區(qū)Tab.8 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI69
以左側(cè)舌回為主,向左側(cè)距狀裂周圍皮層、右側(cè)舌回延伸的腦區(qū)功能連接增強(T=5.9146,MiNi 坐標0,-81,0,圖11)。
圖11 與ROI79種子點的功能連接增強的腦區(qū)Fig.11 Brain regions with enhanced functional connectivity to ROI79.
rs-fMRI主要從局部活動性、腦功能連接及腦功能網(wǎng)絡(luò)3個不同的層面研究腦功能特點,其中,以腦功能連接應(yīng)用研究最為廣泛[6]。功能連接是一種對腦整體功能活動進行線性相關(guān)分析的方法[12],其中,基于ROI的相關(guān)性分析能更好地反應(yīng)各腦區(qū)之間的關(guān)聯(lián)強度。本研究以AAL模板的腦區(qū)為ROI做全腦一致性分析,發(fā)現(xiàn)與正常組比較,卒中組以右背外側(cè)額上回、右眶部額上回、左中央溝蓋、右眶內(nèi)額上回、左島葉、右島葉、左楔葉、右梭狀回、左楔前葉、左中央旁小葉、左顳橫回為ROI差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),分析這些ROI的功能發(fā)現(xiàn),主要與認知(右背外側(cè)額上回、右眶部額上回、右眶內(nèi)額上回、左中央溝蓋)、感覺(雙側(cè)島葉-內(nèi)臟感覺、右梭狀回、左楔葉與楔前葉-視覺、左顳橫回-聽覺)和運動(左中央旁小葉)有關(guān)。右背外側(cè)額上回、右眶部額上回、右眶內(nèi)額上回位于前額葉皮層,是注意網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。雙側(cè)島葉可接受內(nèi)臟感覺信息進行整合,再傳導(dǎo)至前額葉皮層等決策相關(guān)的腦區(qū)[13]。左中央溝蓋被證實與情緒控制相關(guān)[14]。左側(cè)楔葉、楔前葉是視覺網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,負責(zé)整合視覺信息。右梭狀回也與視覺有關(guān),負責(zé)面孔識別。左顳橫回參與聽覺網(wǎng)絡(luò)的組成,中央旁小葉參與運動感覺網(wǎng)絡(luò)組成。
目前相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),幾乎所有的腦卒中患者在急性期都會出現(xiàn)半球間功能連接減弱的現(xiàn)象,而本研究中患者的半球間功能連接均出現(xiàn)增強,這與文獻報道[15-17]的結(jié)果不一致。
根據(jù)ROI的功能不同,對與其功能連接增強的腦區(qū)進行分析:與正常組比較,卒中組的雙側(cè)(右側(cè)為主)大腦半球與認知有關(guān)的ROI主要與左大腦半球與視覺有關(guān)的腦區(qū)[左側(cè)距狀裂周圍皮層、舌回、楔葉、楔前葉、BA18、BA19、梭狀回、距狀裂周圍皮層、后扣帶回(BA30)、梭狀回(BA37)]功能連接增強,聯(lián)系較為密切;而與右大腦半球與視覺有關(guān)的腦區(qū)(右梭狀回、后扣帶回、距狀裂周圍皮層)功能連接也出現(xiàn)增強,但腦區(qū)間聯(lián)系相對少。
左后扣帶回、楔前葉及部分枕葉視皮層是默認網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點[18],主要與視覺共建有關(guān),在靜息狀態(tài)下,通過視覺感知外界,來喚醒自我意識的精神思維活動,為下一步大腦執(zhí)行任務(wù)做好過渡[19]。左BA18、BA19、枕下回、舌回、楔葉,以及雙側(cè)梭狀回及距狀裂周圍皮層均參與了視覺網(wǎng)絡(luò)的組成。
與正常組比較,卒中組雙側(cè)(左側(cè)為主)大腦半球中與感覺有關(guān)的ROI主要與視覺有關(guān)的位于左大腦半球的腦區(qū)[左梭狀回、舌回(BA19)、舌回、距狀裂周圍皮層、后扣帶回(BA30)、楔葉、顳中回(BA21)、眶回(BA11)]和位于右大腦半球的腦區(qū)[右楔前葉(BA7)、梭狀回(BA37)、枕下回(BA19)、距狀裂周圍皮層、顳中回(BA21)]功能連接增強。還與聽覺有關(guān)的腦區(qū)[左顳上回(BA38)、左側(cè)島葉(BA13)和右顳下回(BA20)],與運動控制有關(guān)的腦區(qū)[左側(cè)豆狀殼核、右小腦后葉(蚓結(jié)節(jié))]功能連接增強。
左梭狀回、顳中回(BA21)、舌回(BA19)、舌回、距狀裂周圍皮層、后扣帶回(BA30)、楔葉、眶回(BA11),以及右側(cè)楔前葉(BA7)、梭狀回(BA37)、枕下回(BA19)、舌回、距狀裂周圍皮層、顳中回(BA21)是主要與視覺網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的腦區(qū)。左顳上回(BA38),以及右顳下回(BA20)是與聽覺網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的腦區(qū)。左側(cè)豆狀殼核屬于豆狀核的殼核部分,尾狀核和豆狀核稱為紋狀體,是基底神經(jīng)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分,位于大腦白質(zhì)深部,參與高級運動控制,如運動計劃和執(zhí)行,其中尾狀核是椎體外系運動通路的重要組成之一[20-21]。右側(cè)小腦后葉(蚓結(jié)節(jié))參與執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的組成。
與正常組比較,卒中組左大腦半球與隨意運動有關(guān)的ROI主要與聽覺[左島葉(BA13)]、運動控制(左豆狀殼核,以及右側(cè)額內(nèi)側(cè)回、豆狀殼核、尾狀核頭)和認知(左側(cè)直回、額上回(BA10)、額下回三角部,以及右BA11)相關(guān)的腦區(qū)功能連接增強。
左側(cè)島葉(BA13)是聽覺網(wǎng)絡(luò)的組成部分。左側(cè)豆狀殼核、右側(cè)額內(nèi)側(cè)回、豆狀殼核、尾狀核頭與運動控制有關(guān)。左側(cè)直回、額上回(BA10)、額下回三角部,以及右側(cè)BA11。直回上與自身及社會自我認知相關(guān)的BA11[22]、與行為序列計劃相關(guān)的BA10[23]和與運動的啟動相關(guān)的額內(nèi)側(cè)回均位于額葉內(nèi)側(cè)面,與額上回、額中回和額下回(三角部)共同構(gòu)成前額葉皮層的大部分。前額葉皮層通過廣泛的神經(jīng)投射聯(lián)系與其他的大腦皮層及其結(jié)構(gòu)進行聯(lián)結(jié)[24],對正常的認知能力至關(guān)重要。
與正常組相比,卒中組雙側(cè)(右側(cè)為主)大腦半球中與認知的腦區(qū)主要與左大腦半球與視覺有關(guān)的腦區(qū)發(fā)生功能連接增強,而雙側(cè)半球中視覺網(wǎng)絡(luò)、聽覺網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的功能連接增強;左大腦半球中隨意運動執(zhí)行腦區(qū)與聽覺、認知、運動控制相關(guān)腦區(qū)之間功能連接增強。
Bobath神經(jīng)發(fā)育理論認為最終運動方案是由大腦新皮層聯(lián)絡(luò)區(qū)域和基底神經(jīng)節(jié)確定的,這兩個腦區(qū)共同決策運動的總方案。主導(dǎo)空間感覺能力的非優(yōu)勢大腦半球發(fā)生急性梗死后,大腦中央皮層與基底神經(jīng)節(jié)發(fā)生運動功能代償性活動,激活了感覺運動網(wǎng)絡(luò)的功能連接,并加強視覺、聽覺方面的協(xié)調(diào)作用,以完成計劃與執(zhí)行軀體運動的任務(wù)。非優(yōu)勢大腦半球發(fā)生梗死后,雙側(cè)島葉出現(xiàn)了與周圍腦區(qū)廣泛的功能連接性增強的現(xiàn)象,我們推測,雙側(cè)島葉整合連接腦內(nèi)多樣信息,發(fā)生了多功能方面的代償性增強,尤其是在運動計劃的高級認知方面,加強了與其他功能網(wǎng)絡(luò)的功能連接。
本研究還存在一定的局限性。首先,由于靜息態(tài)功能磁共振成像對患者要求較高,本研究盡管按照文獻做了樣本量估算,但是仍有較大的脫落率,導(dǎo)致研究的樣本量僅有10~12例。其次,本研究僅觀察了缺血性腦卒中患者在急性期某一時間點(72 h內(nèi))的腦功能改變,但是腦卒中的功能重組異常復(fù)雜,是一個動態(tài)變化過程,需要今后進一步研究患者在整個急性期的腦功能變化情況。今后研究將繼續(xù)增加入組樣本量、完善試驗設(shè)計和進行相關(guān)動物實驗,做進一步探索。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)非優(yōu)勢大腦半球缺血性腦卒中患者在急性期存在特異的功能連接改變,與視覺、聽覺、認知及運動相關(guān)的腦區(qū)之間聯(lián)系增強,以實現(xiàn)腦功能重組。