關(guān)浩然,王萍芝

意識(shí)障礙是指由嚴(yán)重顱腦損傷引起病人覺醒和(或)覺知改變[1],導(dǎo)致意識(shí)障礙的原因包括創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)、感染、腦卒中、心臟驟停及某些代謝性因素等所致的腦損傷[2]。在我國,TBI是導(dǎo)致病人意識(shí)障礙的主要原因之一[3]。意識(shí)障礙病人的預(yù)后分為4種狀態(tài):死亡、植物狀態(tài)/無反應(yīng)覺醒狀態(tài)(vegetative state/unwakefulness syndrome,VS/UWS)、微意識(shí)狀態(tài)(minimally conscious state,MCS)及脫離微意識(shí)狀態(tài)(exit minimally conscious state,eMCS),這幾種狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)化,不同的預(yù)后采取的治療方案和家庭護(hù)理方案不同。由于受細(xì)胞水腫、炎癥反應(yīng)及臨床并發(fā)問題等因素影響,急性期病人預(yù)后轉(zhuǎn)歸不穩(wěn)定。慢性意識(shí)障礙指病程≥28 d的意識(shí)障礙[4],病人預(yù)后相對(duì)穩(wěn)定。

如何準(zhǔn)確評(píng)估慢性意識(shí)障礙病人意識(shí)水平,并精準(zhǔn)預(yù)測此類病人的預(yù)后,以便實(shí)施有針對(duì)性的臨床及康復(fù)護(hù)理手段,已成為臨床面臨的一大難題[5]。臨床主要通過病人的反應(yīng)判斷意識(shí)障礙程度,但受病人運(yùn)動(dòng)和語言功能影響,誤診率約為40%[6]。有研究表明,傳統(tǒng)的CT成像方式不能提供與長期預(yù)后相關(guān)的準(zhǔn)確信息[7],而MRI具有較高的預(yù)后評(píng)估價(jià)值[8-10]。MRI是一種利用非電離電磁輻射生成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫斷面圖像的非侵入性成像技術(shù),分為結(jié)構(gòu)磁共振成像(structural MRI,sMRI)、彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DWI)、彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)、功能磁共振基于血氧水平依賴成像(blood oxygenation level dependent,BOLD)等多種模式,可提供全面、多參數(shù)的腦解剖、功能和代謝信息[11]。綜述多種磁共振成像模式對(duì)意識(shí)障礙病人意識(shí)嚴(yán)重程度及預(yù)后的相關(guān)研究進(jìn)展。

1 sMRI

sMRI可對(duì)大腦進(jìn)行定量高分辨率結(jié)構(gòu)成像分析,如大腦各個(gè)腦區(qū)或大腦皮質(zhì)厚度和體積,使研究人員可評(píng)估創(chuàng)傷性腦損傷后組織損傷的程度[12],有助于 TBI的診斷評(píng)估和確定重型TBI的預(yù)后[13]。

1.1 腦損傷后病變部位與意識(shí)障礙嚴(yán)重程度和預(yù)后的相關(guān)性 不同部位對(duì)意識(shí)產(chǎn)生重要影響。何亮等[14]回顧性分析62例重型TBI致意識(shí)障礙病人,結(jié)果顯示,TBI病人MRI表現(xiàn)與半年后的預(yù)后密切相關(guān),腦干背側(cè)、雙側(cè)丘腦及胼胝體有損傷灶的病人難以恢復(fù)意識(shí)清醒。王向宇等[15]類似研究證實(shí)了上述觀點(diǎn),同時(shí)證實(shí)應(yīng)用MRI分級(jí)可客觀、準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)后,分級(jí)越高提示病人預(yù)后越差。Yang等[12]采用sMRI對(duì)嚴(yán)重創(chuàng)傷性腦損傷病人的腦損傷進(jìn)行了初評(píng)及后期隨訪,結(jié)果顯示,腦橋的周圍灰質(zhì)與意識(shí)恢復(fù)呈正相關(guān)。

1.2 腦損傷后病變體積、密度與意識(shí)障礙嚴(yán)重程度和預(yù)后的相關(guān)性 Pozeg等[16]研究顯示,左中腦、右基底節(jié)區(qū)、右丘腦、右頂葉皮質(zhì)和左額葉皮質(zhì)較大或彌漫性病變是病人無殘存意識(shí)的重要特征;腦干保留的病人腦白質(zhì)和灰質(zhì)廣泛受損,提示意識(shí)完全喪失。Morozova等[17]開發(fā)了一套診斷性MRI評(píng)分系統(tǒng),以腦萎縮為基礎(chǔ)區(qū)分慢性VS/UWS和MCS病人。慢性VS/UWS以腦干和丘腦變性、廣泛彌漫性皮質(zhì)萎縮和胼胝體變性為特征,這些大腦區(qū)域在維持意識(shí)方面具有重要的作用。Ferraro等[18]利用sMRI評(píng)估了胼胝體(corpus callosum,CC)和皮質(zhì)下白質(zhì)(subcortical white matter,SWM)的完整性,結(jié)果顯示,CC體積和密度值與意識(shí)水平呈正相關(guān)。Lutkenhoff等[19]對(duì)143例不同病因所致意識(shí)障礙病人的研究發(fā)現(xiàn),意識(shí)和覺醒的臨床判斷與丘腦和基底神經(jīng)節(jié)內(nèi)的組織萎縮程度呈負(fù)相關(guān),并可具體定位到基底節(jié)中的殼核與蒼白球。

2 DWI

DWI成像可顯示剪切損傷和捕捉水分子的凈移,從微觀水平觀察生物組織的結(jié)構(gòu),早期發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷性白質(zhì)病變方面優(yōu)于傳統(tǒng)的MRI成像。腦白質(zhì)纖維束的表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)是DWI檢查中描述組織水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度和范圍的參數(shù),水分子擴(kuò)散越快,ADC越大;反之則ADC越小。20個(gè)白質(zhì)感興趣區(qū)(region of interest,ROI)ADC值的分類器在鑒別意識(shí)障礙病人6個(gè)月預(yù)后優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)臨床TBI預(yù)后模型。

有研究顯示,顱腦損傷病人ADC值降低的程度對(duì)預(yù)測無意識(shí)持續(xù)時(shí)間具有重要的臨床意義,ADC值降低程度越大提示病人無意識(shí)持續(xù)時(shí)間越長[20]。DWI在預(yù)測心臟驟停后(缺氧-缺血性)意識(shí)障礙預(yù)后方面也顯示一定的意義。相關(guān)研究表明,與神經(jīng)學(xué)檢查相比,ADC值小于閾值的腦組織體積占全腦體積的百分比更能區(qū)分預(yù)后,特異度為100%[21]或接近100%[22]。然而,由于該技術(shù)具有一定的難度,包括依賴于時(shí)間的ADC信號(hào)變化和信號(hào)異常的界定值不統(tǒng)一(如ADC值閾值)。有研究發(fā)現(xiàn),ADC值預(yù)測性較差或存在假陽性結(jié)果[23]。

3 DTI

DTI是一種定量的MRI技術(shù),可評(píng)估腦白質(zhì)神經(jīng)纖維束完整性或微觀結(jié)構(gòu)損傷,已廣泛用于臨床白質(zhì)的研究[24]。腦白質(zhì)中FA值與白質(zhì)纖維髓鞘的完整性、致密性及平行性呈正相關(guān)。腦白質(zhì)破壞在嚴(yán)重TBI致意識(shí)障礙預(yù)后判斷中發(fā)揮著重要作用。

3.1 全腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷與慢性意識(shí)障礙預(yù)后的相關(guān)性 Velly等[25]在一項(xiàng)多中心研究中,選取150例缺氧缺血性意識(shí)障礙病人,使用DTI預(yù)測6個(gè)月后的功能恢復(fù)情況,結(jié)果顯示,與臨床學(xué)檢查、腦電圖、定性MRI或全腦ADC相比,機(jī)器學(xué)習(xí)獲得的全白質(zhì)FA評(píng)分區(qū)分昏迷預(yù)后結(jié)果方面的準(zhǔn)確性較高,對(duì)預(yù)測預(yù)后差的特異度為100%。Wu等[24]使用DTI比較意識(shí)障礙不同亞組和意識(shí)保留的病人,結(jié)果顯示,意識(shí)障礙病人普遍存在白質(zhì)缺陷,異常白質(zhì)區(qū)域的DTI與意識(shí)水平的臨床評(píng)估相關(guān)。表明DTI可能是意識(shí)障礙病人意識(shí)水平臨床評(píng)估的有利補(bǔ)充。

3.2 腦局部白質(zhì)纖維完整性與意識(shí)障礙預(yù)后的相關(guān)性 內(nèi)側(cè)丘系中央被蓋束、皮質(zhì)脊髓束和腦橋被蓋束的完整性與腦外傷后意識(shí)障礙嚴(yán)重程度相關(guān)。Wang等[26]收集了14例意識(shí)障礙病人和15名健康對(duì)照者的DTI數(shù)據(jù),采用改良昏迷恢復(fù)量表(Coma Recovery Scale-Revised,CRS-R)評(píng)估白質(zhì)完整性和病人殘余意識(shí)之間的關(guān)系,結(jié)果顯示,意識(shí)障礙病人在廣泛的白質(zhì)完整性破壞基礎(chǔ)上,穹窿部損傷明顯,CRS-R評(píng)分與穹窿、鉤狀束、橋腦交叉束、內(nèi)囊后肢白質(zhì)完整性呈正相關(guān)。因此,嚴(yán)重腦損傷后白質(zhì)普遍出現(xiàn)異常,但意識(shí)損傷可能是由于連接大腦區(qū)域的關(guān)鍵通路中斷造成的。

4 靜息態(tài)功能磁共振(resting-state fMRI,rs-fMRI)

sMRI和DTI可對(duì)大腦解剖結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)性連接(structural connection,SC)進(jìn)行判斷,但人類所有功能都是由多個(gè)腦區(qū)依靠功能性連接(functional connection,FC)協(xié)同參與完成。這種空間的遠(yuǎn)距離腦區(qū)在神經(jīng)生理活動(dòng)的同步一致性構(gòu)成了腦網(wǎng)絡(luò)。利用BOLD成像技術(shù)對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)度進(jìn)行檢查分析。

傳統(tǒng)腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法包括默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(dorsal attention network,DAN)、自我參照網(wǎng)絡(luò)(self-referential network,SRN)、感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò) (sensorimotor network,SMN)、視覺網(wǎng)絡(luò)(visual network,VN) 和聽覺網(wǎng)絡(luò)(auditory network,AN)等。有研究顯示,還包括顯著網(wǎng)絡(luò)(salience network,SN)、額頂葉網(wǎng)絡(luò)(frontal-parietal network,FPN)等,其中DMN是重要的靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò),主要與意識(shí)的感知自我覺醒有關(guān)[27]。慢性意識(shí)障礙病人腦網(wǎng)絡(luò)連接的變化,慢性意識(shí)障礙病人和健康對(duì)照組DMN和其他腦網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[2]。

Wu等[28]研究顯示,中扣帶回皮質(zhì)(midcingulate cortex,mCC)、前額葉皮質(zhì)在內(nèi)的部位連接性可預(yù)測意識(shí)障礙病人是否可以恢復(fù)。Long等[29]研究顯示,腦網(wǎng)絡(luò)層面異常導(dǎo)致意識(shí)障礙的依據(jù),即額頂葉網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的背外側(cè)前額葉皮質(zhì)和DMN內(nèi)的楔前葉之間的相互作用可能在調(diào)節(jié)意識(shí)中發(fā)揮作用。二者的連通性越強(qiáng)提示意識(shí)恢復(fù)的可能性越大。Qin等[30]通過比較MCS與UWS,結(jié)果顯示,UWS中顯著網(wǎng)絡(luò)中的FC減少,與掃描3個(gè)月后恢復(fù)意識(shí)的病人相比,DMN內(nèi)連通性較低,表明DMN可預(yù)測意識(shí)恢復(fù)。

慢性意識(shí)障礙病人動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的變化以往的腦網(wǎng)絡(luò)研究均是建立在假設(shè)FC是同步性活動(dòng)基礎(chǔ)上,健康人腦內(nèi)存在廣泛復(fù)雜的時(shí)間延時(shí)結(jié)構(gòu),內(nèi)部腦活動(dòng)具有動(dòng)態(tài)波動(dòng)性。mCC內(nèi)部潛伏期的平均值和方向性隨著意識(shí)水平的變化而變化,mCC內(nèi)部潛伏期的正值與意識(shí)狀態(tài)的保持有關(guān),而mCC內(nèi)部潛伏期負(fù)值與意識(shí)障礙病人的意識(shí)水平成正比;結(jié)果表明,這種延時(shí)結(jié)構(gòu)可能是大腦交流、傳播及信息處理的基礎(chǔ)[31-32]。通過對(duì)BOLD信號(hào)的全腦IBA時(shí)間延遲(time delay,TD)和概率流(probability flow,PF)推斷意識(shí)障礙病人IBA的傳播結(jié)構(gòu)和傳播效率,并基于連接體的預(yù)測模型,預(yù)測病人臨床評(píng)分,結(jié)果表明,意識(shí)障礙病人不僅DMN和SMN的TD和PF發(fā)生改變,且TD范圍較健康對(duì)照組縮短。模型分析表明,TD較PF具有較好的CRS-R預(yù)測性效能,其中小腦和前額葉皮質(zhì)是主要的預(yù)測區(qū)域[33]。

對(duì)于rs-fMRI,各腦網(wǎng)絡(luò)之間、腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連接強(qiáng)度和相互之間的關(guān)系,不僅在空間的相互連接強(qiáng)度值得關(guān)注,在時(shí)間的激活順序及傳播效率進(jìn)行深入研究。尤其在DMN、SMN、mCC及小腦、前額葉皮質(zhì)的變化值得關(guān)注。

5 任務(wù)態(tài)功能磁共振(task-related fMRI)

近年來,多層腦網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究較多。有研究表明,在植物狀態(tài)、微意識(shí)狀態(tài)病人中,被動(dòng)(即感官刺激后)、主動(dòng)(即遵囑執(zhí)行動(dòng)作)刺激和無任務(wù)靜息狀態(tài)下的BOLD檢查發(fā)現(xiàn),大腦網(wǎng)絡(luò)模式存在差異[34]。

5.1 被動(dòng)任務(wù)態(tài)功能磁共振 多數(shù)被動(dòng)任務(wù)研究中,采用聽覺任務(wù)模式,意識(shí)障礙被試者出現(xiàn)雙側(cè)顳葉的特定激活模式,與健康志愿者比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[35]。被動(dòng)任務(wù)與額葉下區(qū)、顳葉上皮質(zhì)和顳葉中皮質(zhì)的顯著激活有關(guān),即與語言處理相關(guān)的大腦區(qū)域有關(guān)。與健康對(duì)照組相比,意識(shí)障礙病人皮質(zhì)外部網(wǎng)絡(luò)區(qū)域(額中回和角回)和皮質(zhì)下內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)普遍減少,UWS病人與MCS病人相比,DAN的激活無顯著差異[36]。

5.2 主動(dòng)任務(wù)態(tài)功能磁共振 主動(dòng)刺激任務(wù),如想象打網(wǎng)球或?qū)Ш交丶?在部分臨床診斷為VS的病人中,出現(xiàn)了類似健康人的腦區(qū)激活。有研究對(duì)29例慢性意識(shí)障礙病人使用舉手的主動(dòng)范式進(jìn)行fMRI的BOLD成像檢查,結(jié)果表明,盡管符合VS/UWS和MCS診斷的臨床標(biāo)準(zhǔn),4例病人保留了遵循口頭命令的能力,并通過大腦激活自愿執(zhí)行任務(wù),而不是通過語言或?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)執(zhí)行任務(wù),這4例病人對(duì)被動(dòng)喚名的刺激任務(wù)無腦區(qū)反應(yīng);提示在臨床上采取主動(dòng)范式BOLD檢測,可進(jìn)一步避免VS/UWS的誤診,提示主動(dòng)范式有腦區(qū)激活的病人有較好的預(yù)后[37]。有研究顯示,主動(dòng)任務(wù)主要誘發(fā)前額葉背外側(cè),左側(cè)下頂葉和中央旁小葉及枕葉和顳葉的內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu),主動(dòng)任務(wù)的激活群集數(shù)量較被動(dòng)任務(wù)明顯增多[36]。被動(dòng)任務(wù)可激活以顳葉為主的腦區(qū),但外部皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部皮質(zhì)下網(wǎng)絡(luò)較健康人連接強(qiáng)度減少。相較而言,主動(dòng)任務(wù)可激活更多額頂、顳枕葉部分腦區(qū)。

6 小結(jié)與展望

隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,磁共振技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大。sMRI、DWI、DTI、fMRI-BOLD等新技術(shù)為臨床判斷意識(shí)障礙病人的意識(shí)水平和病情變化提供了新思路和新方法。每種方法在意識(shí)障礙診斷及預(yù)后判斷上各有優(yōu)勢和劣勢,單獨(dú)應(yīng)用得到的病人信息較片面。任務(wù)態(tài)功能磁共振在意識(shí)障礙領(lǐng)域的研究尚不充分,得到的結(jié)論存在較大差異。需進(jìn)一步研究不同范式的被動(dòng)任務(wù)和主動(dòng)任務(wù)下腦網(wǎng)絡(luò)激活模式、激活靶點(diǎn)。多模態(tài)MRI模型可預(yù)測預(yù)后、研究動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)、探索任務(wù)態(tài)范式和試驗(yàn)等,仍需醫(yī)療人員和工科工作者深入研究,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)意識(shí)障礙的精準(zhǔn)診斷和預(yù)后評(píng)估,以期為治療方案的制定、神經(jīng)調(diào)控的精準(zhǔn)定位提供依據(jù)。