BOLD-fMRI在脑卒中患者触觉功能康复过程中的应用现状

王一托，李功杰，乔鹏岗

（解放军第307医院放射科，北京　100071）

◁综述▷

BOLD-fMRI在脑卒中患者触觉功能康复过程中的应用现状

王一托，李功杰，乔鹏岗

（解放军第307医院放射科，北京100071）

脑血管意外；磁共振成像

以血氧水平依赖测量为原理的功能磁共振成像技术（BOLD-fMRI）是20世纪90年代在fMRI基础上发展起来的一种新的脑功能成像技术，由于其具有无创性以及高空间分辨率的特点，目前被广泛应用于认知神经科学、康复医学、神经内、外科学等领域。Ogawa等［1］首先提出BOLD信号可以提供正常生理状态下大脑实时的血氧分布情况，其原理是神经元活动引起的局部耗氧量和局部脑血流量反应性增加程度不匹配所导致的局部磁场性质的变化。神经元活动时，局部脑血流量的增加会使因代谢而生成的具有顺磁性效应的脱氧血红蛋白浓度相对减少，表现出相关脑区信号的增强。因此，通过合理的实验设计，利用BOLD-fMRI技术可以间接观察神经元的激活以及大脑功能区的连接情况，是活体研究人脑科学的有效手段。

脑卒中是脑血液循环障碍性疾病，可以造成终身残疾，超过一半患者的日常生活需要专业人员的帮助［2］。感觉障碍是脑卒中后的常见症状，发生率约为60%，卒中患者要想控制他们的站姿需要视觉、听觉以及本体感觉刺激信息的共同传入［3］，所以，现代康复不仅要求卒中患者运动功能的康复，也要求其浅、深感觉可以达到令患者比较满意的结果［4］。有证据表明卒中后康复病人与其未受累脑区的代偿以及皮质重塑有关［5］，BOLD-fMRI可以作为研究卒中后神经重塑机制、评价康复治疗效果的一个重要手段。

1　触觉刺激与对应布罗德曼分区的关系

触觉是一种全身广泛分布并且受人体主观因素影响的复杂感觉。人体皮肤表面分布着不同类型的触觉感受器，在接受触觉刺激时会转化成相应的电信号传递到高级中枢进行分析。躯体感觉中枢是躯体感觉的最高级中枢，主要位于大脑皮质的中央后回，即第一躯体感觉区 （Primary somatosensory area，S1）。与此同时，还存在第二躯体感觉区（Second somatosensory area，S2），该区与第二躯体运动区相重叠，包括BA40及BA43的部分皮质［6］，主要与双侧感觉（以对侧感觉为主）有关［7］。

布罗德曼分区（Brodmann，BA）是一个根据细胞结构将大脑皮层划分为一系列解剖区域的系统，最早由德国神经科医生提出。BA包括每个半球的52个区域，其中一些区域今天已经被细分，例如BA3被分为3a和3b两个亚区等。有学者根据研究提出［8］，处理与触觉信息有关的脑区包括BA3、1、2、BA4，BA5、7，BA40及BA13-16。BA3，1，2（S1）与一般触觉、振动觉、温度觉、痛觉的定位以及手指的本体感觉有关；BA4（初级运动皮层）与振动触觉频率的分辨以及手指的本体感觉有关；BA5，7（躯体感觉联合皮层）与一般触觉的定位有关；BA40（缘上回）与躯体感觉空间定位以及一般触觉和本体感觉信息的整合有关；BA13-16（岛叶皮层）可能参与痛觉及一般触觉信息的整合。

2　fMRI中的触觉刺激装置

大多数与触觉刺激相关的fMRI研究是在3.0T磁共振仪下进行的，随着fMRI技术的发展，4.0T、7.0T磁共振仪也被应用到了实验研究当中去。如Besle等［9］利用7.0T磁共振仪发现通过振动触觉刺激单侧手的不同手指会在S1产生激活区的重叠现象，并且发现在S1中，亚区3b比亚区1重叠区域明显减少，推测前者比后者在分析振动触觉时有着更高的特异性。区别于运动实验，在设计感觉功能fMRI实验时，需要根据不同的实验需求开发设计合适的体感刺激装置。国外学者对触觉的研究比较全面，针对不同刺激手段 （振动、气流、图案、电流、针刺、激光、温度等）搭建了多种复杂的自动刺激装置。国内刺激手段比较简单（如针刺穴位、电流、温度刺激等），且基本上都是人工进行［10］。目前，应用于感觉功能的fMRI自动刺激装置面临的主要问题是成熟的刺激手段和商用装置还相对较少，标准的刺激模式也还没有建立。随着fMRI研究的不断深入，对触觉刺激装置的需求将日益迫切。

3　fMRI在脑卒中后触觉功能康复中的应用

脑卒中的BOLD-fMRI研究对象多为脑卒中慢性恢复期的患者，这是因为脑卒中急性期的BOLD信号会受到一些潜在因素的影响，比如此阶段血流动力学响应函数（Hemodynamic resPonse function，HRF）因受到脑血流的急剧变化而表现的不稳定，脑血管失去对脑血流量自动调控的功能［11］；同时，处于急性期的病人很难正确完成事先安排的动作，并且可能引入其他无关刺激影响脑皮质激活的情况。然而，Manganotti等［12］通过 SOHIA（Selection of OPtimal HRF and Image Analysis）的分析方法克服了个体间HRF的可变性，并通过被动任务（正中神经电刺激）最终得到了卒中急性期（发病后12～48小时之内）的图像。正中神经电刺激可以使对照组对侧辅助运动皮层（SMA）、对侧S1、双侧S2、双侧岛叶皮层和同侧小脑激活，而脑卒中急性期部分患者虽然存在对侧S1和双侧S2激活，但是激活程度比对照组要低的多，甚至存在S1、S2没有激活的情况，只是全脑可见散在的激活区域。运用这种 “个体化”HRF分析可以在脑卒中急性期的病人中发现感觉刺激后BOLD激活信号的缺失与较差的临床恢复密切相关。

接触人类皮肤的触觉分为低频触觉（静止接触）和高频触觉（颤动和振动）［13］。Chung等［14］认为，低频触觉信息的传入存在“平行式”和“连续式”两种方式，前者为一侧触觉信息可以同时传递到对侧S1和S2；后者为一侧触觉信息先传递到对侧S1，这种经过处理过的触觉信息再通过S1传递到同侧S2，类似的，对侧S2到同侧S2之间也存在着这种触觉信息传递的过程。有接近一半的卒中病人在恢复期会出现触觉分辨力障碍［15］。Borstad等［16］对10名患有触觉分辨力障碍的左侧脑卒中患者进行BOLD-fMRI及弥散张量成像（DTI）研究时发现，在对照组中，对侧S1、双侧S2、双侧中央前回以及双侧小脑显著激活；与正常对照组相比，实验组激活峰位于健侧颞上回、S2及健侧小脑，并且发现顶叶皮层和额叶皮层的激活区更加的分散，可能提示大脑皮层产生了广泛的代偿作用。虽然实验结果提示顶叶皮层的激活程度与感觉功能明显相关，但是，并没有发现触觉分辨力的恢复程度与患侧S1激活程度具有相关性。Carey等［17］亦发现皮层下脑卒中患者患侧S1的激活与对侧手触觉分辨力之间没有相关性。在Borstad的实验组中，脑皮质激活最显著部位位于左侧楔前叶，且激活的峰值与触觉分辨力的大小之间有着很大的联系，该研究认为，除了S1和S2，楔前叶皮层和丘脑——大脑皮层神经连接也参与了卒中后患者触觉分辨力障碍的形成，针对楔前叶的静息态功能磁共振研究发现其功能与感觉处理相关脑区（后顶叶皮层、躯体感觉皮层、岛叶、缘上回、额中回）之间是有联系的［18］。

大脑双侧半球会根据处理任务类型的不同表现出不同的激活情况。Van Boven等［19］研究发现人类的左脑可能更多的参与到对各种物体形状的区分，而右脑更多的参与对物体的空间位置的辨认。因此，在依赖于要求患者指认不同物体特点的这类实验中，左侧和右侧大脑半球本身就可能会产生不同的激活情况。触觉失认是脑卒中感觉障碍的表现之一，通常是因为中央后回、S2、后顶叶皮质受到损害而产生的结果［20］。Notturno等［21］在对一名丘脑卒中并发触觉失认的患者进行BOLD-fMRI及DTI研究时发现，在对健侧手进行触觉分辨任务时，双侧额叶，同侧额中回、后扣带回、对侧中央后回、颞下回、岛叶皮层显著激活，表现为正常的双侧额-顶叶感觉信息传递网络；相比之下，患侧手执行任务时，只有同侧躯体感觉皮层、部分枕叶皮层出现激活，反映出患侧手执行触觉分辨任务时相应脑区的激活受到抑制，并局限于单侧大脑半球。

近年来BOLD-fMRI技术被越来越多的应用于评估卒中病人的康复情况。在评价运动功能康复方面，大多采用比较不同康复手段引起不同大脑功能区激活来提示其对卒中后神经重塑的调节作用，评价感觉功能康复的研究较少。Carey等［22］对1例卒中后伴随触觉功能丧失（6月后触觉功能康复）的患者进行恢复期全脑BOLD-fMRI研究中发现：在卒中后早期（2周内）感觉功能严重受损的患者没有出现神经重塑的现象，在卒中后3月患侧S1和双侧S2被重新激活，提示卒中后躯体感觉的恢复与相应脑功能区的重新激活有着明显的相关性。在评价卒中后运动功能恢复情况的实验中，如果是采用被动运动的实验方法，可以间接反映患者本体感觉及触觉功能区的恢复情况。Tombari等［23］对10名单侧皮层下卒中患者进行纵向研究发现，患者分别在卒中后1月、4月、12月执行被动任务时，患侧BA 40、S2随着患者运动功能的康复出现激活增加的现象，可能提示BA 40、S2参与了卒中患者运动能力恢复的过程。

经过20余年的发展，BOLD-fMRI技术日趋成熟，使我们对人类大脑结构和功能有了崭新的认识。在对卒中后功能障碍患者的研究中，由于涉及到感觉功能康复的实验设计较为复杂以及感觉功能评价受患者主观因素影响过大，大多数只是针对卒中后运动功能康复的研究。感觉功能康复的研究目前还只是停留在实验研究阶段，若要发展到临床应用，还需要大样本量的临床纵向研究、合理感觉功能评价量表的制定、标准刺激装置的建立等。但总体来说，对于脑卒中患者，利用BOLD-fMRI技术可以为脑功能区的重组和皮质重塑提供直观的证据，并且可以根据卒中后不同时期的激活特点制定个体化治疗方案，尽量使患者达到比较理想的恢复程度［24］。

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Applications of BOLD-fMRI in tactile functional rehabilitation induced by stroke

WANG Yi-tuo，LI Gong-jie，QIAO Peng-gang
（Department of Radiology，307 Hospital of PLA，Beijing 100071，China）

R743.3；R445.2

B

1008-1062（2015）09-0671-03

2015-01-07；

2015-03-25

王一托（1989-），男，黑龙江齐齐哈尔人，在读硕士研究生。

乔鹏岗，解放军第307医院放射科，100071。

北京市自然科学基金（青年基金项目），资助编号：7144231。