低位脊髓功能MRI的研究进展

贾岩龙，沈智威，聂婷婷，章桃，延根，吴仁华,2*

功能MRI(fMRI)技术作为一种非侵入性神经影像工具，能够无创地对神经元活动进行较准确的定位，且具有较高的空间和时间分辨率等优势，近年来广泛应用于脑神经科学的基础研究。脊髓作为中枢神经系统的组成部分，其内神经元活动导致的一系列生理活动，理论上也应可以进行功能成像。自从1996年Yoshizawa等[1]首次证明了脊髓fMRI的可行性和有效性后，脊髓fMRI的研究也逐步开展。然而，与脑功能成像相比，脊髓由于形态细长、脑脊液搏动、呼吸、心血管循环及周围组织结构的影响，使其相关功能研究深受技术的制约，尤其在低位脊髓方面的研究更少。尽管如此，最近十几年来，伴随着MRI技术的发展，关于脊髓fMRI的研究亦取得了明显的进步[2]。笔者就脊髓功能成像原理、动物低位脊髓fMRI研究、不同刺激模式在人类低位脊髓fMRI研究、穴位刺激在低位脊髓fMRI研究及脊髓fMRI目前取得的成果、存在问题、发展前景等方面做如下综述。

1 脊髓fMRI成像原理

1.1 血氧水平依赖效应的fMRI (blood oxygenation level dependent fMRI，BOLD-fMRI)

BOLD-fMRI最早是由美国贝尔实验室提出基于脑功能MR的研究，其利用神经元兴奋活动与血流动力学间存在的密切关系，快速显示兴奋的神经元与非兴奋神经元间的信号差异。脊髓BOLD-fMRI是利用脊髓灰质内局部神经元活动时，局部氧耗量增加，引起局部血流量增加，而血容量相对不变。也就是说，神经活动使氧利用率增加的同时，血流量的增加更为显著，灰质组织内输送更多的富含氧的血液。升高的氧合血红蛋白量和升高的血流量共同作用导致脱氧血红蛋白量相对减低，从而增加了T2*WI上神经活动区域的信号强度。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，可缩短T2*弛豫时间。氧合血红蛋白是轻度的逆磁性物质，可使T2*值延长。当神经元活动增强时，脊髓灰质的血流显著增加，脱氧血红蛋白的含量相对减低，导致T2*WI信号增强，即T2*WI信号能反映局部神经元活动，这就是基于血氧水平依赖的BOLD效应。

1.2 血管外质子增强fMRI(signal enhancement by extra-vascular protons fMRI，SEEP-fMRI)

Stroman等[3]认为神经兴奋区血流量增加，血管内压力升高，导致局部兴奋组织周围的细胞外液轻微增加，进而导致质子信号增强。脊髓SEEP-fMRI主要是利用激活区神经组织附近血管外水质子水平的改变导致信号的变化，即在脊髓局部灰质血流量增加时，血管内压力也随之增高，尤其是动脉旁毛细血管系统，这种压力的变化加快了跨血管外运动，导致激活区神经组织水质子水平的提高。BOLD与SEEP两者研究结果比较，后者的功能激活区邻近于前者激活区，两者甚少重叠，表明两者均可以应用到脊髓fMRI研究。然而，BOLD效应过重依赖于场强和回波时间，在低场强和短TE下，这种效应甚至可以被忽略。基于上述SEEP效应，脊髓fMRI 完全可以采用SE序列质子加权成像，在短的弛豫时间内获得高的图像质量，且对磁场的不均匀性敏感性较低。如，Ng等[4]在0.2 T场强下使用FSE序列质子加权成像进行脊髓fMRI研究，屏除了BOLD效应，获得了质子密度变化的功能激活图。

另外，SEEP与BOLD比较，SEEP更有优势，它可以更好地进行神经元活动空间定位，有更高的信噪比(contrast to noise ratio，CNR)，对磁场不均匀性的敏感性更低，可用来研究脊髓损伤患者的功能区变化，这一点对于针刺研究来说很有意义。因此，用脊髓SEEP-fMRI技术对研究神经针刺的全程走形来说非常重要[5]。

2 动物低位脊髓fMRI研究

众所周知，脑和脊髓的血流动力学反应是不同的。如，位于脊髓内的神经递质P物质有扩血管作用，可以引起血流量和血容量的增加。然而，在大脑皮层P物质引起的扩管作用很弱。因此，把脑fMRI的观察指标及参考值运用到脊髓fMRI上并不完全可靠。为了更好的理解脊髓fMRI对不同刺激类型引起激活的敏感性，必需在动物模型上系统研究fMRI的信号来源及潜在局限性。Zhao等[6]用BOLD及BVW(blood volume-weighted)两种fMRI技术对无害和有害电刺激大鼠下肢引起的低位脊髓神经活动进行功能成像，结果表明BOLD及BVW均观察到有害刺激引起的激活信号。然而，两者均对无害刺激引起的激活信号不敏感。Malisza等[7]应用9.4 T对大鼠下肢或踝关节处注射辣椒素引起的腰髓内神经活动进行功能成像，结果表明位于同侧脊髓T13～L2椎体水平(相当于L3～6和S1脊髓节段水平)观察到明显激活存在，其结果与先前对大鼠下肢施加有害刺激，位于L4～5节段同侧脊髓灰质后角(第I～II，V～VI)观察到的明显神经活动一致[8]。

关于动物脊髓损伤方面的低位脊髓fMRI研究亦有报道，Endo等[9]在不同时间段3、7、14 d和1、3、6个月，用不同电刺激强度：0.5、1.0、1.5、2.0 mA刺激完全SCI ( T9) 大鼠的左后肢，观察损伤远端脊髓内神经活动的变化。结果显示：位于脊髓损伤平面以下的脊髓灰质背侧区激活显著增加；SCI大鼠接受0.5 mA 电流刺激时能引起明显激活，而正常大鼠则不能; 1.0 mA 电流刺激引起的活化体积显著增加，但1.5 mA 及2.0 mA 电流刺激所引起的活化体积与正常组相比无统计学意义。Majcher等[10]在刺激大鼠后肢时，位于腰髓灰质背侧区均检测到fMRI信号存在，当离断连接脊髓的L3神经时，检测到相应部位部分激活减少，当再次离断L4神经时，相应部位激活进一步减少。重度神经离断后MRI信号强度变化时序图中幅度减低进一步证明了刺激下肢引发的神经活动减低，其结果与之前Jou[11]研究的离断单个神经根后，刺激神经或经皮刺激引起的相应脊髓节段躯体感觉减低相一致。Lawrence等[12]对大鼠的前、后肢行有害性电刺激并进行脊髓fMRI扫描，应用C-fos标记染色对fMRI提示的神经激活区组织进行免疫组化检测，结果发现图像激活区与实际脊髓组织有很好的对应性。另外，Lilja等[13]研究亦表明：刺激一侧后肢，激活主要位于同侧脊髓灰质背侧，对侧亦出现少量激活；当刺激对侧下肢时，激活区位置出现翻转现象；且随着刺激强度的增加，信号强度变化在一定范围内呈正相关性。

3 不同刺激模式在人类低位脊髓fMRI研究

脊髓fMRI研究中所使用的刺激方法主要分为感觉刺激和运动刺激。感觉刺激主要涉及化学刺激、冷热刺激、电刺激等方面。化学刺激如注射辣椒素、福尔马林引起的脊髓内信号变化主要应用于动物研究，且诱发的刺激强度、频率不易量化。另外，冷热刺激诱发的刺激强度、频率亦达不到量化。电刺激由于操作简单、刺激强度及频率容易量化，使其特别适合脊髓fMRI定量方面的研究分析。运动刺激主要包括局部肌肉的主动和被动运动，从而诱发脊髓内信号的变化。由于电生理学研究已表明：感觉刺激主要通过皮肤感觉感受器，经脊神经后根的传入神经传至脊髓灰质背侧区的感觉神经元进行交换神经元；运动刺激通过皮肤运动感受器，经脊神经前根传至脊髓灰质腹侧区的运动神经元进行交换神经元。因此，理论上在相应脊髓节段灰质内应观察到不同刺激模式诱发的神经活动存在。现就近年来，关于不同刺激模式在人类低位脊髓fMRI方面的研究介绍如下。

3.1 感觉刺激在正常志愿者低位脊髓fMRI研究

研究表明，感觉刺激特定区域可以在脊髓相应解剖位置引起信号的改变，且刺激强度与功能MR所反映的脊髓内信号改变在一定范围内呈正相关。如，Stroman[14]通过对七个不同的研究组实验比较，发现在人类脊髓观察到的信号变化与刺激模式及相应的脊髓解剖区域具有良好的对应关系。刺激手及前臂观察到颈髓内信号的变化与相应的神经解剖区域一致，类似刺激下肢的感觉研究亦表明激活区的信号变化与相应的脊髓神经解剖区域一致[15]。Stroman等[15]在1.5 T磁共振下使用SEEP-fMRI成像对15名健康志愿者小腿内侧腓肠肌区(L4皮神经支配)给予不同温度刺激，观察低位脊髓内信号强度变化，其结果与文献报道的脊髓电生理结构和神经活动存在明显的相关性。结果显示：在低位脊髓节段脊髓灰质同侧后角(第I～V细胞层)观察到激活存在，其与感觉传入神经路径一致。脊髓灰质前角(第Ⅸ细胞层)同样可以观察到激活，可能是前角运动神经元对感觉刺激负反射的结果所致，且激活信号增加值与刺激温度高低相关，29°C时信号强度变化约(2.6±1.1)%，15°C时为(3.2±0.5)%，10°C时为(7.0±0.9)%。

3.2 感觉刺激在脊髓损伤患者低位脊髓fMRI研究

最近，低位脊髓fMRI也开始应用到脊髓损伤(SCI)方面的研究。脊髓损伤后评价分两方面：解剖结构的改变和功能评价。研究者们试图在脊髓损伤后解剖结构的改变和功能的变化之间找到某种联系。Stroman等[15]对完全和不完全SCI患者的L4神经支配区进行温度刺激，获得低位脊髓功能图，其结果显示：在脊髓损伤水平以下的信号强度(7.2±1.5)%，与同等温度刺激正常人后相应脊髓内的信号强度(6.6±0.9)%相似，但两者在低位脊髓激活的空间分布不同，SCI患者同侧脊髓灰质后角和中间带激活减弱或消失，而对侧脊髓灰质区激活更加明显，并认为SCI患者脊髓激活空间分布的改变可能反应了对侧脊髓灰质失去高位中枢的抑制作用所致。Stroman等[16]在另一实验中，亦使用1.5 T磁共振SEEP-fMRI成像对27例脊髓损伤患者(18例为完全损伤，9例为不完全损伤)使用10℃低温有害刺激患者的小腿内侧(L4神经支配区)，获得整个腰髓的功能图，其结果显示：与健康志愿者对比，完全脊髓损伤时同侧脊髓灰质后角的激活信号减弱，同侧及对侧脊髓灰质前角激活明显增加；不完全脊髓损伤时同侧脊髓灰质后角激活减弱，同侧及对侧脊髓灰质前角的激活与健康志愿者相似或略减弱；不完全脊髓损伤患者与完全脊髓损伤患者相比，后者脊髓内信号减少更加明显。另外，在对刺激没有感觉的脊髓损伤患者中，仍能在腰髓内观察到激活信号的存在[15-16]。因此，脊髓fMRI作为一个非创伤性工具，可以对脊髓损伤进行评估，其不依赖于患者对感觉刺激的程度。

3.3 运动刺激在正常志愿者低位脊髓fMRI研究

研究表明，上、下肢的局部肌肉运动可以引起相应脊髓节段内的神经活动。Kornelsen等[17]首个在1.5 T磁共振下使用SEEP-fMRI研究下肢运动时腰髓内的信号变化，结果显示：主动活动踝关节时位于腰髓的运动和感觉功能区均观察到激活(如，位于S2～3脊髓节段灰质左侧腹侧区及背侧区、L5脊髓节段灰质双侧腹侧区、L1～4脊髓节段灰质双侧腹侧及背侧区，其中激活增加主要位于高位脊髓节段L1～2水平)，平均信号强度变化约(11.9±1.0)%；被动活动踝关节时，位于低位腰髓节段灰质的中央区和背侧区，以及高位腰髓节段灰质的腹侧区观察到激活(如，位于S2～3脊髓节段灰质双侧背侧区、L4脊髓节段灰质右侧腹侧区及中央区、L1～3脊髓节段灰质两侧腹侧区，其中激活增加主要位于L1水平)，平均信号强度变化约(12.4±1.1)%。无论主动运动或被动运动时，位于高位脊髓节段观察到的激活均较低位脊髓节段水平的多。脊髓fMRI探测到的信号特征与已知的生理解剖结构一致，进而证明了脊髓fMRI可以对下肢运动引起的腰髓内信号变化进行可靠评价。

3.4 运动刺激在脊髓损伤患者低位腰髓fMRI的研究

随着医疗技术的进步、疾病认识态度的转变及新药物的研究，脊髓损伤后脊髓功能的修复成为一种可能[18]。有关运动刺激治疗脊髓损伤患者的脊髓fMRI研究报道较少。Kornelsen等[19]在1.5 T磁共振下使用SEEP-fMRI研究了12例脊髓损伤患者(颈段或胸段)运动下肢时低位脊髓内的神经活动情况，结果显示：(1)无论损伤程度如何，在患者主动、被动运动踝关节时脊髓损伤的尾端均有SEEP信号的改变，且被动运动时相应脊髓区内信号强度变化(15.0±2.8)%较主动运动时的信号强度变化(13.6±1.5)%稍大，其结果与之前健康志愿者下肢运动时相应腰髓内信号强度变化相似；(2)与之前健康对照组相比，脊髓损伤患者相应脊髓内激活体素数量较正常志愿者少；(3)ASIA-A(感觉和运动觉均消失)患者被动运动时位于相应脊髓节段灰质双侧腹侧及背侧区观察到激活； ASIAB(感觉保留，运动觉消失)患者被动运动时亦获得类似的结果；ASIA-C(轻微的运动觉保留)患者主动运动时激活区主要位于相应脊髓节段灰质的双侧腹侧区，而被动运动时大部分激活区主要位于相应脊髓节段灰质背侧区，少部分激活位于腹侧区；ASIA-D(足够运动觉保留)患者主动运动时，右下肢功能良好的患者激活主要位于脊髓灰质左侧背侧区，被动运动时激活主要位于脊髓灰质双侧腹侧区和背侧区，且右侧激活较少。由此可见，脊髓fMRI能可靠而准确地对脊髓损伤进行评估，且具有重要的临床指导意义。

4 穴位刺激在低位脊髓fMRI研究

针灸学是传统中国医学的精华之一，也是中华民族的宝贵文化遗产，在我国已有数千年的临床实践积累，其优势集中体现在治疗各种疼痛疾病、慢性病、功能障碍性疾病等方面所发挥的作用，是其他传统医学以及现代医学所不能取代的[20]。然而，由于缺乏临床对比研究的直接科学理论支持，针灸学的生理机制尚未被阐明，且不能用现代医学的理论解释针灸原理。因此，许多人对针灸的确切疗效、科学性持怀疑态度。现代医学以及神经成像方法的飞速发展为我们探寻针灸生理机制打开了一扇窗口。目前，关于穴位刺激的脑fMRI研究已很多，穴位刺激的颈髓fMRI研究亦有报道[21]，且脑-脑干-颈髓方面的连通性研究也已展开。然而，穴位刺激在低位脊髓方面的功能磁共振研究目前尚未见报道，是今后研究的一个方向。从而为研究针灸通过穴位-脊髓-脑等整个传导通路的作用机制提供科学依据。

5 脊髓fMRI目前主要研究成果、存在问题及发展前景

脊髓fMRI的研究仍是一个较新的领域，且处于起步阶段，其技术的成熟应用尚需更多更深入的研究，但目前可得出的结论有：(1)当前条件下可以可靠地获得较清晰的脊髓fMRI信号图像；(2)刺激的强度与功能MR所反映的脊髓内信号改变在一定范围内呈正相关；(3)温、痛觉刺激、上肢或下肢局部肌肉的运动均可在相应脊髓内获得明确定位[7，22]。当然，脊髓fMRI成像也面临一些难题：(1)需要进一步证明脊髓fMRI的可重复性和可靠性；(2)脊髓易受呼吸、心跳、肢体运动等方面的影响，如果图像配准效果不好，易导致激活信号叠加至错误位置；(3)脊髓的横截面积很小，即使最大的颈髓膨大处直径才约16 mm，另外，脊髓中央有中脑导水管通过，周围有脑脊液环绕，在临床1.5 T磁共振条件下需要更高的空间分辨率，才能获得较清晰的图像；(4)椎体及椎间盘的空间交替导致局部磁场不均匀，从而干扰血氧水平依赖的信号；(5)不同的成像设备、参数的选择、刺激模式、统计学分析方法及图像后期处理等方面均可影响实验结果。尽管，脊髓fMRI有上述的不足，但随着MR硬件和软件的开发，MR新序列的应用，MR成像时间会越来越短，图像质量不断提高，且技术将会更为成熟。目前，脊髓fMRI已经在动物实验、临床基础研究中得到初步应用，并可以有效的对脊髓损伤防护或修复进行评价，同时也应用到镇疼药物等方面的研究[13]。另外，脊髓fMRI关于糖尿病早期病变的髓内功能变化[23]、中风后下肢偏瘫患者临床治疗后评价等方面的研究也逐步展开。因此，运用脊髓fMRI探索脊髓生理病理、评价脊髓功能、指导临床治疗及疗效检测等具有广阔的应用前景，也是目前研究工作的最终目标。

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