儿童屈光不正性弱视视皮质功能的fMRI研究进展

蔺波 燕振国 王舒雅 杨磊

弱视是指在视觉发育期内由于异常视觉经验(单眼斜视、屈光参差、高度屈光不正以及形觉剥夺等)引起的单眼或双眼最佳矫正视力达不到正常儿童视力标准，眼部检查未见明显的器质性病变。弱视主要是中心视力缺陷，周边视力可以正常。动物实验和临床婴幼儿的研究表明：在视觉发育的敏感期或关键期容易发生弱视，而在成年后却很难再罹患弱视。弱视眼经适当的功能训练后，部分患者的最佳矫正视力是可逆的，这是弱视的另外一个特点。弱视的发病机制是双眼异常相互作用或形觉剥夺引起的[1]。屈光不正性弱视大多为双眼弱视，发生在双眼高度屈光不正未能及时矫正者，其发病本质在于早期的视通路及视皮质长期废用且未能够得到相关视觉信号刺激而导致其功能及其结构的改变，影响视觉信息的传导与最终高级视功能的形成[2]。视觉运动觉作为人类的高级视功能，对人眼从复杂背景中准确分离、提取目标物体起着至关重要的作用。弱视病因的传统观点多认为，双眼性弱视主要是异常视觉经验所导致的上行性视功能进行性损害。然而，对于单眼性弱视或者部分双眼性弱视，是否单独或同时存在原发性大脑视中枢发育不良或结构损害所导致的下行性视功能缺陷，目前仍存在许多争议性问题。功能磁共振成像(function magnetic resonance imaging, fMRI)可以在视中枢水平运用影像学手段对视皮质功能区进行定位、定量分析，以补充弱视的下行性病因研究。

1 fMRI技术在弱视研究领域的应用

以往的屈光不正性弱视研究多集中在图形觉等心理物理学方面，因接近临床、易被患儿家长接受、设备较为普及、后期数据处理相对简单等特点，而被广泛应用于弱视的一线研究中。然而，由于其研究结果容易被主观意识干扰及无法直接深入活体神经解剖生理学层面等缺点，因此无法完整地认识屈光不正性弱视对视觉中枢区所造成的影响。近些年，一些研究者采用视觉电生理研究，对视觉中枢进行了初步研究。李惠玲等[3]利用图形视觉诱发电位和眼电图对64只正常眼、128只弱视眼及59只弱视治疗眼进行研究分析发现，弱视儿童视觉传导通路存在障碍，大脑视中枢发育及功能异常；同时，也间接地说明幼年时期的视中枢存在相当大的可塑性。视觉电生理相对于心理物理学研究，在克服被试者主观意识对试验结果的干扰方面，取得了一定的进步；但限于监测技术，仍无法得到视皮质的具体解剖位置。fMRI技术可以在中枢水平，综合上述两种研究手段的优势，对弱视进行客观、准确地深入研究。

目前弱视中枢区功能的研究已逐渐由心理物理学、视觉电生理等技术过渡到联合fMRI技术或者同时联合其他扩展辅助技术。这样可在一定程度上克服前者只能定性而不能定量判断弱视中枢区视皮质功能的缺点。基于血氧依赖性功能磁共振成像(blood oxygen level dependent-function magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)技术是以血氧水平依赖性效应为核心基础，基于血管内氧合血红蛋白浓度变化引起的T2加权像信号的波动，利用fMRI检查系统实时记录这些波动的信号，并以影像学手段进行功能成像，可直观地反映大脑某一特定功能区域的功能变化，无创性地反映活体大脑视中枢功能。在视觉刺激过程中，主动注意可激发视皮质更强烈的激活。这表明主动注意时，视觉信息在视觉通路的传导和视觉中枢的处理过程中得到了显著“放大”[4]。这给任务态视觉刺激模式奠定了理论基础，为临床弱视研究提供了实践基础。

邱文娟等[5]利用3T fMRI仪，以旋转黑白棋盘方格作为视觉刺激源，SPM5脑图分析软件包对8例正常成年人进行分析研究后指出：SPM5对高场强fMRI设备采集的数据进行分析处理，结果清晰、直观，可更精确地反映相对应脑区的功能变化。通过实验研究发现，利用BOLD-fMRI技术可以对视觉形成的相关脑皮质准确定位，从解剖学上更加明确屈光不正性弱视的神经机制，全方位诠释弱视对视觉通路的病理性损害。

2 研究现状

2.1 屈光不正性弱视的皮质定位 屈光不正性弱视双眼视功能较为接近，外膝体接受来自双侧视觉信息的强度较屈光参差性弱视均衡。从理论角度分析，相对正常人，屈光不正性弱视儿童脑皮质视中枢区的激活只应该显示为激活强度与范围的差异，而不存在左右半球脑激活差异。但实际研究结果却与此截然相反。杜寒剑等[6]利用1.5 T MRI对10例屈光不正性弱视儿童与10例正常儿童进行组间对比研究后指出，弱视组双侧楔叶、舌回、枕外侧叶和距状沟周边区以及左侧枕外侧叶激活范围均小于对照组，而右枕外侧叶在两组间却没有明显差异。在此，多考虑为大脑优势半球的差异性或者是脑白质神经纤维联系的异常所致。

舌回是视觉皮质的功能联系区域，初级视中枢基本上分布在双侧枕叶区域，经枕叶的初步分析加工后，向颞叶等上一级视中枢投射。通常有两条传导通路(最新研究表明还存在着第三条通路——不经过初级视皮质[7])，即腹侧通路——枕叶、颞叶通路，主司视动觉、轮廓特征的识别；另外一条是背侧通道——枕叶、顶叶通路，主司物体的空间定向能力，对深度视觉的形成起着至关重要的作用[8]。这些区域的定位及功能变化均可利用BOLD-fMRI技术获得实现。

2.2 屈光不正性弱视颞中回区与视觉运动觉 颞中回(middle temporal gyrus, MT)对物体运动方向的变化占据着非常重要的地位[9]。由此可见，与视动觉相关的脑功能区基本位于颞中回。卢光明等[10]采用旋转/静止交替进行的黑白光栅作为视动觉的刺激源，对屈光不正性弱视患者在单眼刺激下行fMRI检查发现，与视动觉功能相关的双侧枕叶区域有不同程度的激活反应，以中颞区(即MT)反应最为强烈，但仍低于正常组。可见，中颞区是视觉运动信息处理的重要中枢，屈光不正性弱视患者弱视眼MT区激活强度低于正常眼，表明屈光不正性弱视存在视动觉方面的功能缺陷。

Bonhomme等[11]采用扩张/收缩/运动地同心圆环作为视觉运动觉的刺激源刺激单眼屈光不正性弱视，与正常眼相比，屈光不正性弱视视动觉相关的视皮质激活强度减弱，提示视动觉皮质功能受到影响。张志强等[12]发现，屈光不正性弱视的视动觉相关脑皮质区激活强度均有所下降，提示其视皮质神经元数量和功能均下降。

2.3 时间、空间频率对视皮质激活的影响在屈光不正性弱视中的改变 临床通常采用经典的闪烁或旋转黑白棋盘方格作为视觉刺激的形式。一般设定时间频率为8 Hz[13]，但也有学者[14]报道在4～14 Hz频率的刺激模式下，BOLD响应幅度无明显变化，而V1区内的激活体素则具有频率依赖特性。这表明初级视中枢对时间频率的变化较为敏感。郭明霞等[15]通过不同空间频率的黑白格作为刺激源，对屈光不正性弱视进行BOLD-fMRI激活的空间依赖性研究证实，在BA17、BA18与BA19区，屈光不正性弱视组的皮质激活范围、强度均较对照组下降；且随着空间频率的增大，激活强度的差异越大。一般认为弱视儿童的各级视中枢存在着不同程度的缺陷，对视觉刺激的中枢响应时间延迟，且视皮质在处理高空间频率的视觉信息时所需要的编码、解码量会更大。

2.4 脑皮质功能区容积在屈光不正性弱视中的改变 任何功能性疾病的定义都是因现有技术无法直接面对真实病因的存在。以往对弱视的定义随着fMRI研究的不断深入而被逐渐打破，弱视已经不是一种单纯的发育性、功能性疾病。弱视者视中枢功能区存在着组织学改变，但这只是在动物模型中被验证。Mendola等[16]于2005年通过fMRI技术定量分析弱视患者的fMRI图像后发现，儿童弱视患者的视皮质灰质容量减少，主要以初级视皮质最为显著；儿童弱视患者的枕叶周围、颞区腹侧的灰质容量也有不同程度的减少。这说明人类弱视同动物模型的组织学研究结果是一致的。但国内学者也有相反的研究结果。杜寒剑等[17]对10例屈光不正性弱视和10例正常对照儿童，通过FreeSurfer软件包进行fMRI后期数据处理得出：屈光不正性弱视组双侧枕叶皮质的灰质容积与对照组间无显著性差异(P>0.05)。对于上述两种截然相反的研究结果推测，实验设计等细节可能是造成这种结果的主要原因。这是BOLD-fMRI试验的一个特点。

2.5 屈光不正性弱视fMRI研究的结论及存在的问题 目前，通过fMRI对屈光不正性弱视的研究，已基本可以确定视中枢的具体功能位置，尤其明确了与视动觉密切相关MT区的中枢位置。采用不同时间、空间频率的视觉刺激信号对视中枢进行激活研究，证实初级视中枢具有较强的时间频率依赖性，而随着空间频率的增加，屈光不正性弱视儿童视中枢对其激活的反应性降低。屈光不正性弱视儿童脑皮质灰质容积与正常对照组具有差异性，这从根本上颠覆了弱视是一种功能性疾病的定义。然而，fMRI技术也存在着一些无法规避的问题。例如，试验设计复杂，干扰因素较多，设备及检查费用昂贵，后期数据处理量较大，技术难度高。由于还没有制定统一的试验标准，各试验结果间可比性与重复性较差。所以，现在还没有相关的试验结果推广应用于临床实践。

3 静息态fMRI

在视觉研究中，当被测试者受到某种视觉刺激时，视觉信号通过视通路后传至视觉皮质，处理相关视觉信息的神经元活动增强，引起局部血流变化，fMRI可间接反映神经元活动的部位、范围及强度。目前，fMRI已经成为视觉研究中的重要方法。屈光参差性弱视多发病于儿童期。然而，在实际研究操作中，过去的组块(blocks)刺激任务态模式很难得到理想的最佳配合，往往需要重复几遍试验后才能得到理想的数据。但是，这样会造成被试视觉上的疲劳感，试验数据的可靠性便会下降。

1995年，Biswal等[18]首次创意性地分析了人在静息态BOLD信号中的低频成分，惊奇地发现，人类左右两侧大脑的感觉运动皮质存在明显的相关性。研究者认为，这种相关性可以作为人脑在静息状态下感觉运动皮质间存在功能连接的一个证据。功能连接的定义：空间上远离的部位在神经生理活动之间存在时间上的相互关联性。静息态fMRI不需要外部环境刺激或特殊任务设置,反映人脑处于静息状态下的神经活动。处于静息状态下的人脑，多个脑区仍存在自发性的神经元活动，并且呈现出时间相关性。此观点被提出后，更多的科研工作者们研究发现，静息态下BOLD低频涨落信号的同步性在视觉、听觉、运动、语言等系统广泛存在。静息状态是有特定规律和组织方式，并非杂乱无章，这将成为近些年来脑科学、神经影像学领域的热门研究方向。

静息态fMRI已成为近年来研究脑科学的热点之一。由于其无需外部给予任何刺激，被试者可以安静地平躺于磁共振腔体内。对于眼科年龄较小的儿童被试者，这样做可以很好地控制头动范围及对视觉刺激主观反映上的误差，可以更好地评测儿童被试的真实脑活动。

静息态fMRI只能显示大脑皮质的神经元活动，无法显示脑白质的结构。扩散张量成像可以弥补这一技术缺憾。磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)是一项迅速发展起来的纤维束 MRI成像技术。1996年，Pierpaoli等[19]首先应用弥散张量成像(diffusion tensor imaging ,DTI)技术在活体人脑勾画出脑白质主要纤维束结构走向。DTI是临床上新用的一种具有无创伤性的新成像方法，它可以定量分析大脑的微细结构，其独特优势在于大脑白质纤维的成像方面。DTI基本原理：可以全面描述水分子在各个方向上的扩散运动情况，还可以从三维角度上清晰地反映不同方向上扩散的相关性。因此，可以根据水分子主要扩散方向精确描绘出脑白质纤维的走向。

所以，临床上可以联合应用静息态fMRI与DTI，对脑功能进行全面、准确的研究[20]。

综上所述，随着医学设备的飞速发展，1.5 T、3 T及7 T(主要用于动物实验研究)高场强fMRI[21]的相继问世，为临床更精确探测活体神经功能核团提供了以往无法实现的新技术保障。BOLD-fMRI技术、静息态fMRI技术、DTI技术能够更直观、更全面、更准确地显示屈光不正性弱视视觉及运动觉形成相关的大脑皮质功能区，为研究视觉形成的中枢神经机制奠定坚实、可靠的影像依据。对弱视的发病机制及治疗过程中动态考察脑功能区有重要价值，有利于进一步研究屈光不正性弱视的神经机制。从而打破了传统研究方法无法精准认识大脑神经网络的局面，为弱视研究进入脑科学领域奠定了基础。当然，高场强的fMRI也只能无限接近神经元的真实活动情况，而不像分子生物学能直接对神经活动进行分析研究。

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