李響,司麗紅,焉雙梅,楊旭
早在20世紀(jì)中葉,研究者開始從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中探索參與前庭信息處理的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)。1949年,Walzl等[1,2]的研究中通過刺激貓的前庭神經(jīng),首次發(fā)現(xiàn)可在前薛氏上溝記錄到動(dòng)作電位。1951~1954年,Kempinsky等[3-5]對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。1965年,Beritashvili等[6]以狗作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,也發(fā)現(xiàn)了相似的研究結(jié)果。20世紀(jì)80年代,一些學(xué)者通過靈長(zhǎng)類動(dòng)物的電生理實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)前庭皮質(zhì)呈網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)廣泛分布,主要包括初級(jí)體感皮質(zhì)、頂葉后區(qū)、額葉皮質(zhì)、海馬和扣帶回,其中位于島葉/后島葉皮質(zhì)和外側(cè)裂周圍的頂-島前庭皮質(zhì)(parieto-insular vestibular cortex,PIVC)構(gòu)成前庭皮質(zhì)的核心區(qū)域[1,7,8]。
在人類,早期前庭皮質(zhì)的發(fā)現(xiàn)主要基于臨床病例報(bào)道。起初研究者發(fā)現(xiàn)在對(duì)一些有意識(shí)的癲癇患者進(jìn)行電刺激顳葉皮質(zhì)、頂葉后皮質(zhì)、軀體感覺皮質(zhì)和島葉時(shí),可引起相應(yīng)的前庭覺反應(yīng)[9,10]。近幾十年,功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技術(shù)迅速發(fā)展,其具有時(shí)空分辨率高、無侵入性、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),且時(shí)間和空間分辨率均優(yōu)于正電子發(fā)射斷層成像術(shù)(positron emission tomography,PET),可為激活區(qū)的前庭皮質(zhì)定位提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù),目前已成為最為有效、方便的腦功能成像技術(shù)。1991年Belliveau等[1]首次進(jìn)行了人腦活動(dòng)的fMRI研究。近年來,研究者基于溫度刺激、直流電刺激及強(qiáng)聲刺激等前庭刺激技術(shù)和fMRI的組合研究,已相繼發(fā)現(xiàn)至少10個(gè)明顯參與前庭信息加工的腦區(qū)[11-15],廣泛分布在顳頂葉交界區(qū)(temporoparietal junction,TPJ)、后腦島、軀體感覺皮質(zhì)(2v,3av區(qū))、頂內(nèi)溝(intraparietal sulcus,IPS)、后頂葉皮質(zhì)(7區(qū))、前腦島、內(nèi)側(cè)顳葉上部(medial superior temporal area,MST)、內(nèi)側(cè)/外側(cè)額葉皮質(zhì)及扣帶回和海馬[16]。基于此,我們對(duì)上述不同刺激技術(shù)下的人類前庭皮質(zhì)定位及投射的相關(guān)研究總結(jié)如下。
CVS是常見的前庭功能檢查方法,其機(jī)制是當(dāng)使用高于或低于正常體溫的水灌入外耳道時(shí),溫度會(huì)經(jīng)鼓膜、鼓室等影響水平半規(guī)管,導(dǎo)致其內(nèi)的淋巴液比重發(fā)生改變,引起內(nèi)淋巴液出現(xiàn)“熱升冷降”的對(duì)流現(xiàn)象,作用于嵴帽而使之發(fā)生偏斜,引起嵴帽內(nèi)毛細(xì)胞放電頻率的改變,導(dǎo)致雙側(cè)前庭信息傳入不對(duì)稱而發(fā)生眼震,同時(shí)受試者出現(xiàn)眩暈癥狀。
1996年,E.Vitte等[17]最早將CVS與fMRI結(jié)合,用12℃冷水刺激健康受試者的左側(cè)外耳道,結(jié)果顯示海馬呈現(xiàn)激活,推測(cè)海馬與空間定向障礙和自我旋轉(zhuǎn)感有關(guān)。Naito等[18]對(duì)12例健康受試者雙側(cè)外耳道進(jìn)行冷熱氣體灌注并進(jìn)行固視抑制,同時(shí)行PET掃描,結(jié)果發(fā)現(xiàn)視覺皮質(zhì)、額葉眼動(dòng)區(qū)、顳極和小腦蚓部的活動(dòng)與冷熱誘發(fā)眼震的固視抑制呈正相關(guān),前扣帶回、頂上小葉、楔葉和小腦蚓部的活動(dòng)隨著CVS的重復(fù)而增加。在這些區(qū)域中,楔葉在溫度誘發(fā)眼震的固視抑制和適應(yīng)過程中表現(xiàn)出顯著的激活,作者推測(cè)視覺皮質(zhì)中的這個(gè)區(qū)域可能被調(diào)節(jié)前庭眼反射的兩種不同神經(jīng)系統(tǒng)所共用??紤]到水的磁化率偽影等問題,F(xiàn)asold等[19]用5~7℃的冷氮?dú)夥謩e對(duì)5例健康右利手受試者的雙側(cè)外耳道進(jìn)行灌注的同時(shí)進(jìn)行fMRI掃描,結(jié)果發(fā)現(xiàn)激活的皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)可重復(fù)的右側(cè)半球占優(yōu)勢(shì)的皮質(zhì)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò),該反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)包括頂島前庭皮質(zhì)、中央溝周圍及頂葉、顳葉、枕葉和額葉等區(qū)域,這表明“前庭皮質(zhì)”是一個(gè)分布廣泛的區(qū)域。同時(shí)在溫度刺激過程中,激活的腦區(qū)都表現(xiàn)出明顯右側(cè)優(yōu)勢(shì)偏向的前庭皮質(zhì)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò),這表明與空間定位反應(yīng)有關(guān)的皮質(zhì)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)具有右側(cè)優(yōu)勢(shì)性。我國(guó)學(xué)者王志[20]用0℃冰水進(jìn)行前庭刺激,同時(shí)行fMRI,結(jié)果顯示雙側(cè)的輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、雙側(cè)的中央旁小葉、右側(cè)楔前葉、雙側(cè)扣帶回、右側(cè)枕上回、右側(cè)緣上回、右側(cè)顳上回及顳下回、右側(cè)舌回及右側(cè)小腦半球呈現(xiàn)激活,由此可以確定參與前庭性眩暈及眼震的腦功能區(qū)。而且,絕大多數(shù)激活區(qū)均位于右側(cè)半球,激活區(qū)的偏側(cè)性同前人所做的前庭腦功能實(shí)驗(yàn)非常吻合。然而,在進(jìn)行CVS的同時(shí)行fMRI掃描,還能刺激到其他各種感覺系統(tǒng)。比如,進(jìn)行灌注的水或氣體的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量噪音,從而導(dǎo)致聽覺系統(tǒng)的共同激活。此外,對(duì)更高或更低溫度的感知以及在極端情況下的疼痛是該方法的混雜因素。使用CVS需要注意這些混雜因素的存在。
GVS是在前庭器官/神經(jīng)附近施加直流或交流電刺激,目的是在沒有頭部運(yùn)動(dòng)的情況下調(diào)節(jié)前庭末梢器官的活動(dòng),與主要刺激半規(guī)管的CVS相比,GVS刺激受試者的半規(guī)管和耳石器傳入神經(jīng),同時(shí)刺激的電流強(qiáng)度還可以做相應(yīng)的調(diào)整[21]。Elie等[22]首先利用1 Hz正弦直流電刺激的同時(shí)行fMRI掃描,研究表明,在直流電刺激雙側(cè)乳突的皮膚時(shí),在顳頂交界處、頂內(nèi)溝及額葉運(yùn)動(dòng)前區(qū)出現(xiàn)大片的激活區(qū),這些區(qū)域與幾種靈長(zhǎng)類動(dòng)物的多感覺前庭區(qū)域密切對(duì)應(yīng),包括PIVC、3aV和2v區(qū)域。為了探究不同頻率交流電的前庭刺激對(duì)大腦激活模式的影響,Stephan等[23]在振幅為±2.5 mA的正弦電流刺激的同時(shí)行fMRI掃描,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在5 Hz的電流刺激下,僅在軀體感覺皮質(zhì)有激活;而在1 Hz和2 Hz的電流刺激期間,在緣上回、丘腦后外側(cè)、小腦蚓部、后腦葉及海馬區(qū)域呈現(xiàn)正激活,這些區(qū)域代表著參與頭部和身體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)前庭信息處理的腦區(qū)。
為了比較GVS期間大腦前庭皮質(zhì)在H215O-PET和fMRI中的激活差異,以全面了解前庭皮質(zhì)激活模式及其與其他感覺的交互作用,Bense等[24]對(duì)19例健康受試者在GVS期間同時(shí)應(yīng)用混合3T PET-MRI掃描,同時(shí)在電極刺激處的皮膚使用利多卡因凝膠局部麻醉,以排除痛覺等刺激對(duì)GVS期間皮質(zhì)激活的干擾。結(jié)果顯示,PET和fMRI除了在上述前庭皮質(zhì)的核心區(qū)域——島葉/后島葉皮質(zhì)以及PIVC均顯示類似雙側(cè)激活模式外,其他前庭相關(guān)區(qū)域也有相似的激活,如頂下小葉、額下回和前島葉。與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的腦區(qū),特別是扣帶回視覺區(qū)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和額葉眼區(qū)亦均有相似的激活模式。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)PET和fMRI均在GVS期間出現(xiàn)次級(jí)視覺皮質(zhì)(楔前葉)的雙側(cè)去激活,提示前庭和視覺系統(tǒng)之間存在交互抑制作用,并認(rèn)為眾多感覺系統(tǒng)之間的相互抑制作用是維持軀體空間定位和自身運(yùn)動(dòng)知覺的基礎(chǔ)。在前庭皮質(zhì)的優(yōu)勢(shì)半球激活方面,PET顯示在右側(cè)非優(yōu)勢(shì)半球出現(xiàn)明顯的激活,與早期的結(jié)構(gòu)以及功能像研究類似,然而fMRI顯示雙側(cè)前庭皮質(zhì)對(duì)稱激活,沒有明顯的優(yōu)勢(shì)偏向。作者認(rèn)為可能是由于神經(jīng)反射的原因,而且PET和fMRI的檢測(cè)機(jī)理有所不同,故而有一定差異。雖然GVS期間行PET和fMRI掃描在某些激活模式有少許差異,但兩者共同印證了前庭皮質(zhì)的存在以及前庭-視覺的交互作用模式。因此,在未來的研究中可以納入更多樣本進(jìn)行多模態(tài)前庭皮質(zhì)的影像學(xué)研究,以揭示前庭疾病期間腦功能改變模式。
視覺刺激多為通過視動(dòng)刺激的方式來誘發(fā)視動(dòng)性眼震,同時(shí)行fMRI檢查分析視覺、眼動(dòng)及多感覺前庭皮質(zhì)的激活-負(fù)激活模式。由于視動(dòng)刺激并不引起明顯的眩暈,因此,視動(dòng)刺激主要被用來研究視眼動(dòng)反射及視覺-前庭系統(tǒng)之間的相互作用,而非前庭皮質(zhì)對(duì)眩暈信息的處理。1998年,Dieterich等[25]在10例右利手健康受試者接受水平和垂直小視野視覺刺激的同時(shí)行fMRI,分析有無固視抑制的視動(dòng)刺激的差異效應(yīng),其結(jié)果顯示兩個(gè)半球中相同的多個(gè)視覺、眼動(dòng)和前庭皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域激活,且每個(gè)半球的激活程度與刺激方向無關(guān)。并且視覺運(yùn)動(dòng)敏感區(qū)、皮質(zhì)眼動(dòng)區(qū)和丘腦存在明顯的右側(cè)半球優(yōu)勢(shì)。Kikuch等[26]通過fMRI也證實(shí),在小視野視覺刺激期間發(fā)現(xiàn)雙側(cè)半球的視覺關(guān)聯(lián)區(qū)(MT/V5)、右半球視覺皮質(zhì)、雙側(cè)頂上小葉和雙側(cè)額葉視野區(qū)激活增加,而在雙側(cè)PIVC區(qū)域觀察到去激活,這表明確實(shí)存在視覺-前庭皮質(zhì)的相互抑制作用。為了探究視覺-前庭系統(tǒng)之間的相互抑制作用,Robert等[27]利用fMRI探究受試者在視覺運(yùn)動(dòng)刺激和溫度刺激期間大腦皮質(zhì)激活的模式,作者將水平方向移動(dòng)的視覺刺激與右耳熱量灌注相結(jié)合以產(chǎn)生前庭激活和視覺運(yùn)動(dòng),通過組合使受試者產(chǎn)生相同(一致)或相反反向(不一致)的自我運(yùn)動(dòng)感知。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在以上條件一致時(shí),初級(jí)和次級(jí)視覺皮質(zhì)的激活增加;而以上條件不一致時(shí),PIVC區(qū)域會(huì)優(yōu)先激活。作者推測(cè)這可能反映了該區(qū)域具有消除各輸入感覺之間沖突的功能。
前庭誘發(fā)肌源性電位(vestibular evoked myogenic potentials,VEMPs)主要通過給予短強(qiáng)聲刺激球囊,研究耳石器受刺激后的皮質(zhì)激活模式。相較于其他刺激方式,強(qiáng)聲刺激應(yīng)用于前庭研究的時(shí)間較晚。Miyamoto等[28]通過給予102 dB短促音刺激球囊,為排除聽覺皮質(zhì)激活的干擾,通過給予強(qiáng)度為85 dB的弱短聲刺激(此時(shí)不會(huì)激活球囊斑)作為對(duì)照組,同時(shí)行fMRI。結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,強(qiáng)聲刺激組頂內(nèi)溝、前額葉、島葉、前扣帶回、后扣帶回、中央后回、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)等激活,與通過給予前庭CVS的激活的區(qū)域相似,表明半規(guī)管與球囊的信息由相同的腦皮質(zhì)區(qū)域處理。Schlindwein等[29]對(duì)健康受試者的研究也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),刺激球囊后,前庭皮質(zhì)的激活呈現(xiàn)雙側(cè)激活模式,右側(cè)半球優(yōu)勢(shì)。前庭神經(jīng)投射主要是同側(cè),而純粹的聲學(xué)刺激以相應(yīng)的對(duì)側(cè)為主,主要在左半球。在進(jìn)行前庭刺激過程中,研究人員還觀察到其他一些感覺系統(tǒng)如本體覺、視覺和聽覺部分腦區(qū)的去激活[30,31],而由視動(dòng)刺激誘發(fā)頭暈過程中的腦區(qū)激活-去激活模式則是相反的:當(dāng)頂葉、枕葉的視覺皮質(zhì)區(qū)域有激活時(shí),多感覺前庭皮質(zhì)(如核心區(qū)域PIVC)會(huì)產(chǎn)生去激活,其可能是由于前庭覺和視覺兩種感覺系統(tǒng)在大腦皮質(zhì)上的“相互抑制作用”引起的[32,33],這種多感覺的交互作用在解決各感覺傳入沖突時(shí)起著重要作用,可以調(diào)控轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)感覺形式。以上發(fā)現(xiàn)也印證了多感覺交互抑制作用是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的基本機(jī)制的假說[34]。
迄今為止,無論在動(dòng)物還是在人類,除了視覺、聽覺和軀體感覺皮質(zhì),尚未發(fā)現(xiàn)特定的、單一模式的初級(jí)前庭皮質(zhì)。確切地說,目前所謂的“前庭皮質(zhì)”,只是指進(jìn)行外周前庭刺激時(shí),對(duì)來自丘腦的前庭信息同時(shí)感應(yīng)的多個(gè)皮質(zhì)區(qū)域,是一個(gè)廣泛分布的多模態(tài)腦網(wǎng)絡(luò),且與視覺、軀體感覺、本體感覺和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)有一定的重疊。而且,這些所謂的“前庭皮質(zhì)”在各腦區(qū)間的相互作用,以及每個(gè)腦區(qū)如何整合多感覺傳入的具體機(jī)制均尚不清楚??傊?對(duì)于人類前庭皮質(zhì)功能區(qū)的認(rèn)識(shí)需要進(jìn)行更多、更進(jìn)一步的研究。通過對(duì)這些皮質(zhì)區(qū)域的深入研究能更好的解釋一些臨床癥狀及疾病的發(fā)病機(jī)制。