随意运动控制的全脑功能磁共振成像研究

侯莉娟,周立明,宋 争,于 勇,王 君

随意运动控制的全脑功能磁共振成像研究

侯莉娟1,周立明2,宋 争2,于 勇1,王 君2

目的:利用全脑功能磁共振成像(fMRI)技术,对参与上下肢左右侧关节随意运动的大脑皮层控制区及皮层下基底神经节核团进行研究,探讨不同运动控制区在随意运动中的调控机制。方法:采用Siemens公司MAGNETOM Trio 3.0T磁共振成像系统,对7名健康右利手志愿者进行左右侧踝关节以及利手、非利手随意运动时的全脑fMRI扫描。数据经过头动校正、空间标准化,高斯平滑等预处理后,通过相关分析分别获得左右侧踝关节、利手以及非利手随意运动的脑激活图,采用SPM软件对参与随意运动的脑区进行解剖定位并对其调控机制进行分析讨论。结果:利手运动主要激活对侧初级运动区(M 1),双侧辅助运动区(SMA)和双侧小脑,各激活区域中心点激活范围为3.15～6.68。非利手运动主要激活双侧小脑、SMA以及苍白球、纹状体和丘脑等基底神经核团,各激活区域中心点激活范围为3.30～7.19,参与非利手运动控制的脑区激活量是利手的2.31倍。左右侧踝关节随意运动主要激活对侧M 1、双侧SMA以及小脑,中心点激活量范围为3.15～7.41。结论:上下肢的随意运动主要依赖于大脑皮质和小脑等结构,同时基底神经节也是参与其调控的重要神经核团。

运动控制;磁共振成像;大脑;手;踝关节

随意运动贯穿于人类日常生活和社会活动的全部过程中,如读书、写字、讲话、体育运动等。多年来,科学家们在众多领域对随意运动及其控制的机制进行了大量研究。应用解剖学、生理学、分子生物学等方法确定了参与动物和人类随意运动控制的基本解剖结构、生理功能及各结构间的相互联系。但由于受到研究条件的限制,对人类随意运动的发起、编程以及运动执行过程中中枢调控机制还未能进行彻底的阐释[6]。近30年来,医学影像学技术飞速发展,特别是功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等新技术的涌现,将神经机制的活体研究进一步深入化,也为运动控制研究提供了一条新的途径[11,19,22]。随意运动的中枢控制机制不仅在神经科学基础研究中,在神经病学临床实践中也有重要的意义。它可以揭示特定的运动功能区;可以针对性地评估运动皮质损伤程度且能准确定位病灶,有利于手术治疗和后期恢复性训练的开展;可以了解如何提高运动能力及中枢神经系统损伤与功能关系,研发新的治疗手段[7]。为此,本研究利用fMRI技术,对上下肢左右侧关节随意运动的运动控制区进行研究,从利手和非利手的区别以及皮层及皮层下核团怎样参与运动调控的角度进行定位观察与系统分析,进一步探讨随意运动控制的中枢调控机制。

1 材料与方法

1.1 实验对象

男性健康志愿者7名,年龄20～25岁,身高176.86± 4.70 cm,体重71.86±5.49 kg。受试者阅读并签署“实验知情同意书”,详细告知实验目的和方法。全部受试者为右利手,无肢体运动障碍和神经系统疾病,能够领会并配合完成实验过程中的各项指令。

1.2 实验方法

1.2.1 任务设计

任务采用Block组块设计,包括两个扫描序列,分别是利手和非利手的握拳运动和左右侧踝关节的背屈运动,左右侧交替进行。如图1所示,每个序列中包含10个20 s任务,之间为20 s休息。第一个序列的任务组块中包含20次握拳运动;第二个任务组块中包含20次踝关节背屈运动,如图2所示,运动角度为30°,运动频率为2 Hz,两组运动各400 s,共800 s。实验程序采用E-prime软件呈现,由磁共振投射系统投射到头线圈上方安置的小平面镜到被试视野中央。

图1 随意运动模式组块设计示意图(L:左;R:右)Figure 1. Block Design of the Voluntary Movement(L:left;R:right)

图2 踝关节背屈运动示意图Figure 2. Sketch Map of the Ankle Dorsiflexion

1.2.2 扫描参数

采用Siemens MAGNETOM Trio 3.0T磁共振成像系统(北京师范大学脑成像中心)进行图像采集。头正交线圈,受试者实验时仰卧,头部加用软海绵固定于线圈内以减少头部运动。功能像扫描:采用梯度回波平面成像序列,参数为:TR 2000 ms,TE 30 ms,翻转角90°,层厚3.6 mm,层间距0.72 mm,层数33,距阵64×64,视野218× 218 mm2。三维结构像扫描:采用T1-MPRAGE进行三维全脑扫描,层数=176,层厚1.0 mm,TR1900 ms,TE3.44 ms,翻转角9°,视野256×256 mm2。

1.3 数据统计

采用SPM 5(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)软件对fMRI实验数据进行预处理和统计学分析。预处理包括头动校正、空间标准化和空间平滑处理,高斯平滑(FWHM=8 mm)处理,采用相关分析法计算各个体素(voxel)的信号与实验任务参考波之间的相关程度,统计结果用伪彩色显示,并叠加于三维结构像上生成统计参数图。

2 实验结果

2.1 任务响应曲线

图3 Onset序列卷积血液动力学函数参考序列(左侧踝关节背屈运动)示意图Figure 3. Reference Sequence of Onset Convolve Hemo Dynam ics Function(Left ankle dorsiflexion)

图3是左侧踝关节背屈运动显示的血液动力学函数参考序列。实验的任务组块2中,进行了左右侧踝关节各5次的背屈运动。数据统计中为增加任务相应的一致性,保留第2到第9个任务,即左侧踝关节为第3、5、7、9个任务,右侧踝关节为第2、4、6、8个任务。由图3可以看出,每个任务中均有较好的血液动力学响应曲线。

2.2 踝关节随意运动时的脑激活图

图4显示,左侧踝关节背屈运动时激活的脑区主要包括双侧小脑,对侧额上回、辅助运动区、扣带回以及中央旁小叶、中央前回和中央后回等,各激活区域的中心点激活量范围为3.15～6.68;右侧踝关节背屈运动时主要激活双侧小脑、辅助运动区,对侧中央旁小叶、中央前回、中央后回、额上回等,中心点激活量范围为3.17～7.41。2.3 利手与非利手随意运动时的脑激活图

图4 踝关节背屈运动的脑激活图(A:左踝;B:右踝)Figure 4. Brain activation map of ankle dorsiflexion(A:Left;B:Right)

表1 参与踝关节背屈运动控制的脑区报表Table 1. Brain control areas of ankle dorsiflexion

图5显示,利手(右手)握拳运动时主要激活双侧小脑,对侧额上回、辅助运动区、中央前回、扣带回、中央后回以及颞叶等,各激活区域的中心点激活量范围为3.15～6.68。非利手(左手)运动激活脑区主要包括双侧小脑、中央前回、中央后回,对侧额上回、顶叶、辅助运动区,以及双侧基底神经核团苍白球、纹状体和丘脑等,各激活区域的中心点激活量范围为3.30～7.19,参与非利手运动控制的脑区激活量(97.83)为利手(42.26)的2.31倍。

图5 非利手、利手握拳运动时的脑激活图(A:左手;B:右手)Figure 5. Brain activation map of dom inant/nondom inant hand’smaking fist(A:Left;B:Right)

表2 参与利手与非利手握拳运动控制的脑区报表Table 2. Brain control areas when making a fist with dom inant/nondom inant hand

续表2

3 讨论

fMRI是磁共振成像最新应用和发展的一项技术,它的主要原理在于磁共振信号强弱与血流含氧量有关,通过测量脑功能活动时脑内血流含氧量变化,观测相应部位神经元活动的变化,故又称为血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent,BOLD)功能磁共振成像。BOLD技术由Ogawa等[17]首先提出并验证,实验证实当人脑在接受感觉刺激或进行活动时,脑部特定区域被激活。通过fMRI的应用,我们已经能够对外界不同的声、光等刺激大脑的功能活动进行实时动态的观察。

3.1 上下肢随意运动的大脑皮质功能定位及左右半球优势

运动皮质功能区主要包括初级运动区(p rimary motor areas,M 1)(中央前回和中央旁小叶的前部,4区);辅助运动区(supplementary motor area,SMA)(大脑皮质内侧面和背外侧面上部,6区)以及属于5、7、23和24区的顶后叶皮质和部分扣带回运动区[18]。在对大脑皮质功能区进行定位研究时,可采用上肢手腕屈伸、手指对指、手握拳,或者下肢膝关节屈伸、踝关节屈伸等运动激活方式[3,10,12,14]。但由于手部运动激活区域显著大于下肢,且下肢运动容易产生头动干扰信号等原因[5],目前的研究多采用上肢手运动。近年来,脑中风患者数目急剧增多,且35%的患者出现下肢运动功能受阻现象,所以,对于下肢运动的皮质功能定位在临床康复指导中有重要的指导意义。本实验中上下肢随意运动时,大脑皮层双侧运动区显著激活,且以对侧激活为主,呈偏侧性;上肢手运动的激活区域(图5AB第53层红色激活区)显著大于下肢踝关节运动的激活区域(图4AB第53层红色激活区),这与经典的躯体随意运动调解呈现交叉性支配和精细功能定位支配理论一致[4]。Ehrsson等人采用正电子发射断层扫描技术,观测到上肢手腕和下肢踝关节屈伸运动时激活的脑区主要包括M 1、SMA以及扣带回,右侧踝关节高频运动时还观察到双侧丘脑的激活[8],本实验中下肢运动未观察到皮层下基底神经核团激活,这可能与运动的幅度与不同频率的刺激有关。另外,从图3显示的卷积血液动力学函数序列可以看出,当肢体运动时相应运动皮层功能区局部信号强度明显上升,而当刺激停止时,局部信号明显下降,说明运动皮质功能区主要在肢体运动时被激活,即它主要参与肢体的随意运动控制。

1836年达克斯(Dax)曾指出失语与左半球病变有关,之后Broca根据其临床失语病人的研究,认为左半球具有言语机能的优势,且一些复杂的高级机能由左半球主管,所以称它为优势半球[2]。目前,全球大约有90%的人是用右手执行高度技巧性劳动操作,被称为“右利手”。人在长期劳动和使用工具的过程中,习惯用一只手即右手来进行。本实验中,利手和非利手完成同样握拳随意运动,由于利手经过了长期训练,而非利手相对生疏,进行的运动难度大于利手,即非利手的随意运动需要更多的神经核团参与调节和控制。有研究发现,由于右脑半球在空间定向和感知上具有一定优势,所以如何通过双侧肢体的均衡训练充分发挥右脑的作用,已成为西方体育科学研究中提高体育竞赛能力的重要课题[23]。

扣带回作为高级运动中枢之一,对其结构和功能的研究近年来受到广泛的关注。研究报告显示,灵长类扣带回存在着前后2个与前肢运动有关的领域,分别被称为前部扣带回运动区和后部扣带回运动区,且前部神经元与运动的选择、准备状态、反馈的评价有关,后部神经元与以视觉、听觉或振动觉为始动信号的运动有关[9]。将逆行性标记物质分别注入到猴的大脑皮质初级运动区、辅助运动区和前辅助运动区的前肢运动支配区域,可见扣带回存在着投射到这些部位的神经元,本实验中观察到上下肢运动时均有双侧扣带回的激活,提示扣带回也是参与随意运动控制的重要脑区。

本实验中所获得的脑功能图像能很好地显示大脑皮质运动区的形态分布,进一步证明fMRI在运动刺激时能观察到大脑皮质相关区域的活动,显示一系列与随意运动控制有关的大脑结构,包括主运动区、辅助运动区、额皮质、扣带回等。但一些电生理研究结果显示,当个体变异或疾病发生时,解剖上的分界与功能的执行并不完全一致,所以,对于运动皮质功能区的定位研究是一项长期需要深入的工作,需要对不同运动模式下脑激活情况进行进一步的观察与分析,这对神经外科治疗与康复中运动皮质功能区的定位有重要的意义。

3.2 小脑在运动控制中的作用

除大脑皮质外,实验中还观察到随意运动显著激活了双侧小脑。根据小脑的传入、传出纤维联系,可分为前庭小脑、脊髓小脑和皮质小脑三个功能区,其中,皮质小脑主要参与随意运动的设计和程序的编制,它不仅是维持机体平衡的重要器官,更是存贮运动性学习记忆的主要功能脑区。有研究发现,长时程学习前后小脑激活体积发生变化,在相同运动频率条件下,学习后小脑激活体积明显减少,尽管学习序列在训练后成绩明显好于对照序列,但两种序列的激活位置和激活体积几乎相同。提示小脑参与运动学习过程而不是运动操作本身,训练导致的小脑激活变化可能与学习有关而与运动操作性质的改变无关[1]。根据Schmahmann小脑皮质的分类法[20],本实验中手握拳运动的主要激活区位于小脑半球偏后外侧的区域,包括Ⅷ,Ⅸ和Ⅹ,说明即使是对于手握拳这样简单的随意运动仍依赖于大脑和小脑多个脑区的协同控制,这一结论在临床实践中有一定指导价值。在运动系统疾病诊断、治疗和康复过程中,不应只考虑皮层的作用而忽视其他脑结构的作用。

3.3 基底神经节在运动调控中的作用

本研究较系统地比较了利手(右手)和非利手(左手)随意运动的脑结构基础的差异,结果表明,非利手运动进一步激活了皮层下基底神经节核团,如丘脑、纹状体、苍白球等,提示非利手的随意运动控制不仅需要皮层运动区的调控,还需要部分皮层下核团的参与。基底神经节是大脑皮层控制下调节运动功能的一个神经核团,具有运动皮质下整合中枢的作用,不仅调节运动、协调椎体系功能,同时支持条件反射、空间知觉、注意转换等较简单的认知和记忆功能[13],对复杂运动以及不同状态下的随意运动起重要的调控作用[15]。临床中基底神经节的损伤引起许多例如帕金森、多动症等运动障碍。Metter等用PET显像比较了左侧半球包括基底节损伤的慢性失语症患者随意运动功能的障碍,其书写等运动功能减退的同时,左侧尾状核的代谢减少[16]。Singh等发现,右利手者左手运动时,左侧大脑半球运动激活较右手运动时的运动激活明显;而左利手者左手运动时,运动激活无显著不同[21]。右利手者左手运动引起的同侧运动区激活比右手运动明显,说明在控制同侧手运动过程中左半球比右半球发挥更大作用。本实验中利手对皮层下核团的调控依赖性相对较小,即长期的运动训练可提高神经控制效率,所以,在神经系统功能障碍康复训练中,可针对性采取双侧肢体的重复训练,开发右侧大脑的潜能,提高功能恢复效率。

4 小结

本研究利用fMRI技术,对参与利手、非利手以及左右侧踝关节随意运动的大脑运动控制区进行研究。发现利手运动主要激活对侧M 1区,双侧SMA和双侧小脑,而非利手运动主要激活双侧小脑、M 1区、SMA以及苍白球、纹状体和丘脑等基底神经核团。左右侧踝关节随意运动主要激活对侧M 1、双侧SMA以及小脑,即上下肢的随意运动主要依赖于大脑皮质和小脑等结构,同时,基底神经节也是参与其调控的重要神经核团。

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Whole-brain Functional Magnetic Resonance Imaging Analysis of Motor Control in Human Brain

HOU Li-juan1,ZHOU Li-ming2,SONG Zheng2,YU Yong1,WANG Jun2

Objective:To identify the neural co rrelates of voluntary movements of hand and ankle by using the w hole brain functional magnetic resonance imaging technique.Methods:Seven right handed healthy volunteers were scanned at MAGNETOM Trio 3.0 Tesla magnetic resonance imaging scanner(Siemens)w hile perfo rming the visually instructive movement tasks w ith their right and left hands and ankles.Image datasets were spatially normalized according to the standard coordinate,and spatially smoothed w ith isotopic Guassian Kernel.Statistical parametric map s(activation maps)fo r right and left hands and ankles were generated respectively by cross-co rrelation analysis.Results:Dominant hand movement mainly activated contralateral p rimary motor co rtex(M 1),bilateral supp lementary motor area(SMA)and cerebellum,the total activation of the central spots is 3.15～6.68.Non-dominant hand movement mainly activated bilateral SMA,cerebellum and basal ganglion,the total activation of the central spots is 3.30～7.19,and it is 2.31 times of the dominant hand.Bilateral ankle voluntary movements mainly activated bilateral M 1,SMA and cerebellum,the total activation of the central spots is 3.15～7.41.Conclusion:A large set of structures in the cerebral cortex and cerebellum are involved in voluntary movements.A t the same time,the basal ganglion is also the important regulation and control central nucleus during voluntary movement.

motor control;magnetic resonance imaging;brain;hand;ank le

G804.5

A

1000-677X(2010)08-0062-07

2010-06-02;

2010-07-10

国家自然科学基金资助项目(30800267);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目。

侯莉娟(1979-),女,山西晋中人,讲师,博士,研究方向为运动神经调控,Tel:(010)58807842,E-mail:houlj@bnu. edu.cn;王君(1975-),女,辽宁沈阳人,博士,研究方向为运动学习和运动康复,Tel:(010)58802060,E-mail:jun_ w ang@bnu.edu.cn。

1.北京师范大学体育与运动学院,北京100875;2.北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室,北京100875 1.Physical Education and Spo rt College,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;2.State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning,Beijing Normal University,Beijing 100875,China.