脊髓損傷后腦結(jié)構(gòu)和功能改變的多模態(tài)磁共振研究.pdf

1、研究背景和目的:
　　脊髓損傷(spinal cold injury，SCI)作為一類世界高發(fā)致殘疾病，常導(dǎo)致患者運動和感覺功能的受損。目前對于脊髓損傷的治療仍是全球性的醫(yī)療棘手問題，每年世界各地有成千上萬的人因為各種意外事件成為不幸的脊髓損傷患者，被殘酷的宣告將在輪椅上度過剩余的人生。脊髓損傷不僅給患者本人極其家庭造成巨大的精神痛苦，而且還帶來了長期難以承受的經(jīng)濟負擔(dān)，成為了目前嚴(yán)重的社會問題之一。深入了解脊髓損傷后運動功能的受

2、損機制，以便能夠在臨床早期階段采取一些有效的干預(yù)措施，最大可能地恢復(fù)患者的運動功能，使患者能夠更好地融入社會，具有尤其重要的社會意義和經(jīng)濟價值。
　　大腦運動皮層為什么會在脊髓損傷運動功能的恢復(fù)中起著如此重要的作用呢？這是因為軸突損傷后，軸突的再生和修復(fù)主要依賴于神經(jīng)元胞體的作用。而皮質(zhì)脊髓束是由大腦運動皮層的錐體細胞發(fā)出的軸突組成，因而防止脊髓損傷后大腦運動皮層神經(jīng)元的損傷，是促進受損的皮質(zhì)脊髓束再生和修復(fù)的重要條件?；诖它c，

3、我們推測大腦運動皮層的結(jié)構(gòu)或功能變化，將會對脊髓損傷后運動功能的恢復(fù)起著重要的作用。
　　以往對脊髓損傷的修復(fù)研究基本上都是建立在損傷后大腦運動皮層結(jié)構(gòu)和功能仍然保持完整這個假設(shè)的基礎(chǔ)上進行的。然而近年來動物實驗證實脊髓損傷后大腦運動中樞神經(jīng)元細胞會發(fā)生萎縮或死亡等改變。但動物實驗并不能模擬人體真實環(huán)境，脊髓損傷后人體是否同樣存在著大腦皮層的結(jié)構(gòu)和功能改變呢？為了探索此問題，我們在本研究中擬運用多模態(tài)磁共振技術(shù)觀察脊髓損傷早期腦結(jié)

4、構(gòu)和功能的重構(gòu)情況，同時進一步觀察了大腦結(jié)構(gòu)和功能重構(gòu)對運動功能恢復(fù)的影響。
　　材料和方法:
　　本研究共分為三個部分:
　　1.脊髓損傷患者早期大腦結(jié)構(gòu)改變的初步研究
　　采集20例早期脊髓損傷患者和30例年齡、性別匹配的健康對照者的3D MPRAGE高分辨率磁共振數(shù)據(jù)，采用VBM8軟件（認知神經(jīng)科學(xué)研究所，英國）進行全腦灰、白質(zhì)體積自動分析，檢測脊髓損傷患者大腦灰、白質(zhì)萎縮的區(qū)域。并進一步采用ROI手動分析

5、的方法，提取初級運動皮層(M1)、初級感覺皮層(S1)、輔助運動區(qū)(SMA)、運動前區(qū)(PMC)、內(nèi)側(cè)前額葉以及丘腦的灰質(zhì)體積，輸入SPSS進入雙樣本t檢驗比較。然后將脊髓損傷患者大腦異常區(qū)域的體積和脊髓損傷患者的損傷嚴(yán)重程度(ASIA運動總評分和感覺評分)做相關(guān)性分析。隨后根據(jù)脊髓損傷患者損傷程度的不同將患者分為兩個亞組:完全性損傷組和不完全性損傷組，比較大腦萎縮程度是否存在差異。最后根據(jù)脊髓損傷患者損傷部位的不同將脊髓損傷患者分為兩

6、個亞組:頸髓損傷組和胸腰髓損傷組，比較大腦萎縮程度是否存在差異。
　　2.脊髓損傷患者早期大腦功能改變的初步研究
　　采集25例早期脊髓損傷患者和25例年齡、性別匹配的健康對照者的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，采用SPM8軟件（認知神經(jīng)科學(xué)研究所，英國）和REST軟件（北京師范大學(xué)，中國）對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，數(shù)據(jù)分析采用低頻振蕩振幅(amplitude of low-frequencyfluctuations，ALFF)的方式來探索患者

7、局部的腦功能改變情況，同時采用基于種子點的功能連接方式(functional connectivity，F(xiàn)C)來探索患者網(wǎng)絡(luò)水平的腦功能改變情況。然后將脊髓損傷患者大腦功能異常區(qū)域的ALFF值或FC值與脊髓損傷患者的損傷嚴(yán)重程度做相關(guān)性分析。
　　3.脊髓損傷后大腦結(jié)構(gòu)和功能改變對運動功能恢復(fù)的影響
　　采集25例早期脊髓損傷患者和25例年齡、性別匹配的健康對照者的3D MPRAGE結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、腦白質(zhì)DTI數(shù)據(jù)，以及靜息態(tài)功能

8、磁共振數(shù)據(jù)。對脊髓損傷患者進行長達6個月的隨訪，根據(jù)患者入院6個月后的運動功能恢復(fù)程度，將脊髓患者分為兩個亞組:恢復(fù)較好組和恢復(fù)一般組，并計算每個患者6個月時的運動恢復(fù)率。采用西門子磁共振工作站分析兩個脊髓損傷亞組高位脊髓頸2/頸3(C2/C3)的橫截面積;腦皮層厚度分析軟件CIVIET(蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所，加拿大)分析兩個脊髓損傷亞組大腦皮層萎縮的區(qū)域;腦白質(zhì)分析軟件DTI-Studio(約翰霍普金斯大學(xué)，美國)分析兩個脊髓損傷亞

9、組腦白質(zhì)纖維束脫髓鞘的區(qū)域;腦功能分析軟件REST(北京師范大學(xué)，中國)分析兩個脊髓損傷亞組網(wǎng)絡(luò)水平腦功能重塑的模式。然后將脊髓損傷患者上述多模態(tài)磁共振指標(biāo)和脊髓損傷患者6個月時的運動恢復(fù)率做Pearson相關(guān)性分析。
　　結(jié)果:
　　1.脊髓損傷患者早期大腦結(jié)構(gòu)改變的初步研究
　　通過利用VBM的方法，我們發(fā)現(xiàn)脊髓損傷患者大腦灰質(zhì)體積減少的區(qū)域主要位于雙側(cè)初級運動皮層、初級感覺皮層、輔助運動區(qū)和丘腦，腦白質(zhì)體積減少的

10、區(qū)域主要位于皮質(zhì)脊髓束雙側(cè)大腦腳的位置。ROI的手動分析的結(jié)果和VBM的結(jié)果基本一致。相關(guān)性分析顯示脊髓損傷患者雙側(cè)的初級運動皮層灰質(zhì)體積與患者的ASIA運動評分呈明顯正相關(guān)(左側(cè)，r2=0.49，P＜0.001;右側(cè)，r2=0.38，P=0.003)。
　　脊髓損傷亞組分析顯示:完全性脊髓損傷患者大腦雙側(cè)初級運動皮層、初級感覺皮層、輔助運動區(qū)和丘腦的灰質(zhì)體積較不完全性脊髓損傷患者的明顯減少(均P＜0.05)，說明脊髓損傷越嚴(yán)重，

11、大腦運動感覺皮層灰質(zhì)萎縮越嚴(yán)重。頸髓損傷患者大腦雙側(cè)初級運動皮層、初級感覺皮層、輔助運動區(qū)和丘腦的灰質(zhì)體積較胸腰髓損傷患者的明顯減少(均P＜0.05)，說明脊髓損傷節(jié)段越靠近大腦，大腦運動感覺皮層灰質(zhì)萎縮越嚴(yán)重。
　　2.脊髓損傷患者早期大腦功能改變的初步研究
　　本研究利用靜息態(tài)功能磁共振技術(shù)觀察了脊髓損傷早期腦局部和網(wǎng)絡(luò)水平的功能變化情況。在局部腦功能水平，脊髓損傷患者在損傷早期雙側(cè)初級感覺運動皮層自發(fā)神經(jīng)活動降低(AL

12、FF值降低)，而雙側(cè)小腦和右側(cè)眶額葉的自發(fā)神經(jīng)活動增強(ALFF值增高)。左側(cè)小腦的ALFF值和脊髓損傷患者的臨床ASIA運動評分呈負相關(guān)(r2=0.56，p＜0.001)。在腦功能網(wǎng)絡(luò)水平，雙側(cè)大腦初級感覺運動皮層之間的功能聯(lián)系減弱(FC值降低)，而大腦半球內(nèi)部一些和運動相關(guān)的腦區(qū)（初級感覺運動皮層、運動前區(qū)、輔助運動區(qū)、丘腦和小腦）功能聯(lián)系增強(FC值增高)。左側(cè)初級感覺運動皮層和左側(cè)小腦之間的功能連接強度和患者的ASIA運動評分呈

13、負相關(guān)(r2=0.33，P=0.002);右側(cè)初級感覺運動皮層和右側(cè)輔助運動區(qū)的功能連接強度同樣和患者的ASIA運動評分呈負相關(guān)(r2=0.21，P=0.01)。
　　3.脊髓損傷后大腦結(jié)構(gòu)和功能改變對運動功能恢復(fù)的影響
　　恢復(fù)一般組患者的C2/C3平均脊髓面積為73.5±5.2 mm2，要明顯低于健康對照組的83.2+3.9 mm2(P＜0.001)以及恢復(fù)較好組的80.5+4.8 mm2(P=0.002)。恢復(fù)較好組的

14、脊髓面積要小于健康對照組的，但兩組之間差異無明顯統(tǒng)計學(xué)差異(P=0.091)。
　　脊髓損傷恢復(fù)較好組和恢復(fù)一般組均出現(xiàn)了雙側(cè)初級運動皮層的皮層厚度萎縮，但恢復(fù)一般組的萎縮程度更嚴(yán)重。此外，恢復(fù)一般組患者同時還出現(xiàn)了右側(cè)輔助運動區(qū)和運動前區(qū)皮層厚度的萎縮。脊髓損傷恢復(fù)較好組患者未見明顯的白質(zhì)纖維束脫髓鞘改變(FA值無改變)，而恢復(fù)一般組患者則出現(xiàn)了右側(cè)初級運動皮層以及內(nèi)囊后肢皮質(zhì)脊髓束脫髓鞘改變(FA值降低)。脊髓損傷患者的6個月

15、時的運動恢復(fù)率和右側(cè)初級運動皮層的腦白質(zhì)FA值(r=0.76，P＜0.001)、右側(cè)大腦輔助運動區(qū)的灰質(zhì)體積(r=0.75，P＜0.001)、脊髓損傷患者的C2/C3脊髓橫截面面積(r=0.59，P=0.002)呈正相關(guān)。以上結(jié)果說明脊髓損傷患者損傷區(qū)域以上部位結(jié)構(gòu)越完整，運動功能恢復(fù)越好。
　　兩組脊髓損傷患者存在著完全不同的腦功能重塑模式。恢復(fù)一般組的患者輔助運動區(qū)、運動前區(qū)和初級運動皮層的功能連接減弱;而恢復(fù)較好組患者輔助運

16、動區(qū)、運動前區(qū)和初級運動皮層的功能連接增強。脊髓損傷患者6個月時的運動恢復(fù)率和雙側(cè)輔助運動區(qū)的連接強度(r=0.78，P＜0.001)、右側(cè)輔助運動區(qū)和右側(cè)初級運動皮層的連接強度(r=0.75，P＜0.001)、以及右側(cè)運動前區(qū)和右側(cè)初級運動皮層的連接強度(r=0.79，P＜0.001)均呈正相關(guān)。以上結(jié)果說明脊髓損傷后初級輔助運動區(qū)、運動前區(qū)和初級運動皮層之間功能聯(lián)系越緊密，患者運動功能恢復(fù)越好。
　　結(jié)論:
　　1.脊髓

17、損傷早期脊髓損傷患者大腦會出現(xiàn)灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的萎縮和皮質(zhì)脊髓束的脫髓鞘改變。大腦萎縮程度和損傷程度以及損傷部位有一定關(guān)系:脊髓損傷越嚴(yán)重，大腦皮層萎縮越嚴(yán)重;脊髓損傷節(jié)段越靠近大腦，大腦皮層灰質(zhì)萎縮越嚴(yán)重。
　　2.大腦的結(jié)構(gòu)萎縮對患者的運動恢復(fù)起著阻礙作用:患者大腦結(jié)構(gòu)越完整，運動功能恢復(fù)越好;大腦萎縮程度越明顯，運動功能恢復(fù)越差。
　　3.脊髓損傷早期大腦會發(fā)生局部和網(wǎng)絡(luò)水平的腦功能重塑。
　　4.脊髓損傷后，由于初級運