前庭功能的脑功能成像研究进展

王雪杰，龙淼淼(综述)，尹建忠※，陈太生(审校)

(1.天津医科大学一中心临床学院，天津 300192； 2.天津市第一中心医院 a.放射科， b.耳鼻喉科，天津 300192)



前庭功能的脑功能成像研究进展

王雪杰1△，龙淼淼2a(综述)，尹建忠2a※，陈太生2b(审校)

(1.天津医科大学一中心临床学院，天津 300192； 2.天津市第一中心医院 a.放射科， b.耳鼻喉科，天津 300192)

摘要：眩晕是干扰人类正常生活的一个常见症状，而前庭系统病变是产生眩晕的主要原因，因此对正常人与眩晕患者进行前庭功能相关区域的研究具有重要意义。该文主要综述前庭结构及功能的研究成果，包括正电子发射型计算机断层显像和功能性磁共振成像研究，并将经前庭冷热或直流电刺激后的健康受试者与患有急慢性外周、中枢前庭病变者的激活-负激活模式进行比对。某些特定的激活-负激活模式可以归因于不同前庭病变的功能缺损，但是对于古老前庭系统的不同感觉及感觉运动功能这个复杂难题的彻底理解还仅处于初级阶段。

关键词：眩晕；前庭系统；脑功能成像；功能性磁共振成像；正电子发射型计算机断层显像

眩晕是一种运动性幻觉，是患者对自身平衡位置觉和空间位象觉的自我感知错误,患者主观感受到而客观上不存在的自身和(或)外物的旋转、倾斜等感觉，其主要是由内耳前庭神经末梢、神经传入通路或大脑皮质投射区病变或人为刺激(如转体等)而引起，是临床上的一个常见症状。实验性的前庭刺激(冷热、直流电刺激)会诱发出眩晕的症状，这和临床上的眩晕是相似的，目前被公认为脑功能活动研究先进方法的正电子发射型计算机断层显像(positron emission computed tomography，PET)和功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)能可靠的确定皮质和皮质下以及小脑的前庭激活模式。现对人类前庭皮质的fMRI研究成果进行综述。

目前关于前庭皮质的fMRI研究已取得了不少成果，包括健康受试者和患有急慢性外周、中枢前庭功能障碍者冷热或直流电前庭刺激后的激活-负激活模式比较，前庭互连结构激活意义及与其他感觉系统间相互作用的探讨，正常人感觉和运动功能的相关性以及在外周、中枢前庭病变时的变化的认识。

1健康受试者的脑功能成像

神经影像学研究证实人类受试者进行外耳道前庭刺激后会有多个大脑功能区域的激活，主要位于大脑内侧面的下部或岛叶、大脑外侧裂深部。灵长类动物猴的顶-岛前庭皮质区(parieto-insular vestibular cortex，PIVC)可能是人类前庭皮质功能区的同源区域，与同侧大脑半球其他区域以及对侧大脑半球有着紧密的联系，被认为是前庭皮质网络的核心区[1-3]。

1.1前庭冷热刺激早期进行的健康受试者PET研究发现冷水刺激左侧外耳道后，颞顶皮质、岛叶后部、前扣带回皮质、壳核会出现激活，认为这些区域是前庭传入纤维在大脑皮质的投射区。Suzuki等[4]对健康受试者分别进行左右侧外耳道灌注，同时进行fMRI扫描，结果发现冷热刺激能激活皮质和皮质下的多个区域，其中包括岛叶、顶内沟、颞回、海马、扣带回以及丘脑，而顶内沟的激活表现出明显的右侧半球优势，这提示该区域有可能是眼球运动的投射区。Fasold等[5]为避免由冷热刺激引起的磁化率伪影而使用5~7 ℃的冷氮气对健康受试者的双侧外耳道进行灌注的同时进行fMRI扫描，皮质激活图显示为一个广泛的皮质反应网络，该网络主要由颞顶连接、后岛叶、前岛叶、中央前回和中央后回、顶叶区域、枕叶腹外侧区、额下回以及中央前沟的下部。冷热前庭刺激后fMRI的表现说明涉及前庭信号处理过程的是一个广泛的、多个区域参与的复杂过程，这与以前的动物试验和人类功能性成像研究是一致的。另外，研究还表明不管刺激哪一侧外耳道，前庭皮质反应都表现为明显的右侧半球优势，这与既往的观点即前庭皮质反应网络具有右侧不对称性[6]是一致的。

同时，前庭刺激过程中还能观察到双侧大脑半球其他一些感觉系统如视觉、躯体感觉、听觉的部分功能区的负激活[7-8]而由视觉诱发的自动感觉过程中的激活-负激活模式是相反的：当枕叶、顶叶的视区有激活时，多感觉前庭皮质区(如PIVC)会产生负激活，这可能是由于视觉、前庭两种感觉系统皮质间的所谓“交互抑制作用”[9-10]引起的，这种交互作用在解决不协调的多种感觉输入中起主要作用，它调控转换优势感觉形式。这些发现也证明了多种感官系统间的相互抑制作用是中枢神经系统的基本机制的假说[11]。

关于具体哪些区域参与前庭功能区域网络还存在一些分歧，部分原因可能是由于研究中使用不同的模型引起的。于是就有学者[12]应用独立成分分析对健康右利手受试者接受双侧前庭冷热刺激同时进行fMRI扫描之后进行分析，结果发现7个独立成分(independent component，IC)，IC1:岛叶、后岛叶皮质及颞上回；IC2：顶叶后部、额叶；IC3：左侧小脑半球、左下岛叶；IC4：右侧小脑半球、右下岛叶；IC5：枕叶；IC6：默认模式网络尤指楔前叶；IC7：躯体运动皮质。这些成分表现出具有统计学意义的激活-负激活，第1~4个成分表现为阳性BOLD反应，而第5~7个成分表现为阴性BOLD反应；其中第1和第2个成分的激活模式表现为右侧半球优势，这和之前的研究报道是一致的[4,7]；第3和第4个成分的激活模式和刺激侧别有显著相关性。刺激过程中躯体感觉皮质及视觉皮质区表现为负激活，这可由多种感觉系统间的交互抑制作用[13]来解释。而初级躯体运动皮质的负激活既往也有报道过，同时这些成分中仅第1个成分与眼球震颤在时间进程中具有显著相关性，但无可争议的是皮质反应与眼球震颤的强度及方向是有紧密联系的。

1.2前庭直流电刺激考虑到水的磁化率伪影影响，一些学者应用直流电刺激正常人乳突部皮肤，其主要是作用于第Ⅷ对颅神经，产生旋转感或倾斜感，并应用于fMRI中。研究结果表明，大脑的颞顶连接、中央沟和顶内沟的前下部可发生激活，这些区域分别对应于猴大脑皮质的PIVC、Brodmann 3a和2区域[5]。另外，除了以上区域，有学者发现运动前区也有激活，推测该区对应于灵长类动物大脑Brodmann 6区的前腹侧部，在动物试验中已经证实是前庭皮质反应区。但是，为了将由于疼痛而导致的大脑皮质部分激活这种混杂因素区分出来，有学者用相同的刺激强度刺激受试者的颈部皮肤后进行fMRI检查作为对照，将两组进行比较后，发现脑岛中部和丘脑前部的激活是由引发的痛觉所致，而颞横回是听觉的皮质功能区，推测其激活是直流电在激活前庭神经的同时听神经也被激活所致。并最终指出直流电刺激乳突时，岛叶-丘脑的激活是前庭、听觉和痛觉三个不同的感觉系统共同作用引起的，认为其中岛叶后部激活区是人类的前庭皮质功能区，这与既往研究中猴子的PIVC区是一致的。另一部分学者发现前庭直流电刺激时，fMRI还显示视觉和躯体感觉皮质功能区出现明显的信号减低，提示刺激的依赖性，以及前庭与视觉系统之间、前庭与痛觉躯体感觉系统之间存在着相互抑制作用，由此推测多种感觉系统之间的相互抑制作用对人类处理控制知觉与感觉运动等起重要作用[14]。

2前庭周围性眩晕者的脑功能成像

2.1前庭神经炎前庭神经炎是前庭周围性眩晕者第二个最常见的病因。最近有学者对由于单侧前庭神经炎导致的急性单侧外周前庭病变患者进行研究，他们对右利手右侧前庭神经炎患者在疾病急性期及3个月后前庭中枢产生代偿而无症状时分别进行PET检查[15]。结果发现，在急性期多种感觉的前庭皮质及皮质下区局部脑葡萄糖代谢(regional cerebral glucose metabolism，rCGM)是明显增加的，同时在视觉、躯体感觉皮质及听觉部分皮质区rCGM是明显减低的。这种皮质激活模式和以前描述的健康受试者的单侧前庭冷热[5-4，16]或直流电[7,17]刺激的结果是一致的。然而，不同的是右侧前庭神经炎患者的后岛叶、PIVC区的激活表现既不是双侧的，也没有右侧半球优势，而是表现为单侧、健侧即左侧半球优势；还有一些多感觉前庭皮质区如颞上回、顶下小叶和楔叶表现出负激活代替了激活。这种后岛叶及PIVC区激活的不对称性可能有两种原因，一种解释是由于右侧前庭神经炎导致的终末前庭器官静息放电输入的减少致使右侧向上投射的传导通路被抑制；另一种说法是未受影响的左侧前庭神经核复合体有更高的静息放电速率，因而前庭神经核水平的前庭紧张性失衡模拟了左侧前庭的激发。这与脑桥、中脑脑干以及左侧颞岛前庭皮质区的激活、视觉和躯体感觉皮质区的负激活是相匹配的[18]。

2.2双侧前庭病变双侧前庭病变是由于各种病因引起的一种罕见双侧迷路或第8对脑神经的病变。有学者对这些双侧前庭病变者的脑功能成像进行了研究分析[19-20]，他们主要对比分析右利手完全性和不完全性双侧前庭病变(bilateral vestibular failure，BVF)患者前庭冷热刺激后的反应差异。结果患者没有表现出冷热前庭性眼球震颤，也没有感觉到明显的由冷热刺激引起的自动或自主神经感觉。前庭冷热刺激引起的激活-负激活程度均减低，主要包括以下几点：①激活只出现在刺激侧的对侧PIVC区的一小部分区域内，而刺激一侧没有明显的激活，这也是有意义的，因为右利手健康者的激活表现为双侧且刺激的同侧、右侧大脑半球激活要更强烈一些。②在这些受试者中大部分没有发现双侧视觉皮质区的负激活。③其他非前庭皮质区域如听觉、躯体感觉区亦没有反应。这种双侧视觉皮质区负激活的缺失表明视觉区的负激活依赖于正常前庭皮质区的激活，而不是BVF患者的原因。BVF患者的这些表现与前庭和视觉系统间的交互抑制作用观点是一致的，正常情况下它们共同对空间定位和感知运动发挥作用。这种相互作用可能在BVF患者被隐藏而表现为显著低水平，也就是激活、负激活程度均减低，而视觉刺激后视觉皮质区则表现为激活、负激活程度的增加，这可能说明视觉功能的增强补偿了前庭功能的损失。

3中枢前庭障碍者的脑功能成像

3.1延髓背外侧综合征前庭核病变是背外侧延髓的梗死影响内和(或)上前庭神经亚核而引起中枢前庭障碍。对延髓背外侧综合征患者外耳道进行冷热灌注后可引起皮质水平的不对称激活。学者们对这些患者中具有典型急性单侧前庭功能障碍者进行前庭冷热刺激的PET研究[21]。结果显示与正常的志愿者相比，这些患者的激活模式是典型改变的：对病变同侧耳朵进行冷热灌注后对侧大脑半球没有引起或仅引起明显减低的激活，但同侧大脑半球的激活似乎是正常的。这些结果表明，有双侧前庭通路从前庭神经核特别是内侧前庭神经亚核投射到前庭皮质区，而其中只有对侧纵束是受影响的。此研究表明，此类患者的激活-负激活模式和以往研究即只有通过内侧前庭神经亚核交叉到对侧内侧纵束的纤维是受损的，而同侧的通过上前庭神经亚核投射到前庭丘脑皮质的纤维是幸免的这个假说是一致的[22]。

3.2前庭丘脑核病变后外侧丘脑单侧梗死可引起伴有感觉障碍(如感知垂直视觉偏差)和姿势失稳、横向倾倒步态的前庭紧张性失衡，但不伴有眼球运动障碍。以往动物实验表明后外侧丘脑是多个前庭皮质区的传入中继站。有学者[23]对8例右利手急性单侧后外侧丘脑梗死患者进行前庭冷热刺激的PET研究，分析激活-负激活模式的差异。结果显示，如果刺激病变丘脑同侧的耳朵，那么同侧大脑半球多感觉前庭皮质区的激活程度明显减低，对侧大脑半球激活的减低程度则相对要少一些，而无论是左侧还是右侧丘脑病变，之前提到的右利手者的右侧大脑半球优势均未显示。这些结果证明，作为门控的后外侧丘脑在功能上的重要性，如它在同侧上升通路中占主导地位以及右利手者的右侧大脑半球优势。这种冷热刺激诱发的前庭性眼球震颤可能主要是由脑干的前庭眼反射环路和前庭小脑来调节的，而与丘脑皮质关系不大[22]。既往报道健康受试者前庭刺激后不仅前庭皮质区有激活而且双侧视觉皮质区也有负激活[7]，而对于后外侧丘脑梗死患者视觉皮质区的负激活只出现在一侧大脑半球，即刺激侧对侧大脑半球或激活前庭皮质区的对侧大脑半球[23]，这同时表明了交互抑制作用。这些患者因为同侧大脑半球功能连接的断开，于是双侧大脑半球前庭系统和视觉系统间的正常交互抑制作用就被打破了。这提示前庭与视觉系统间的交互抑制作用可能由交叉跨越双侧大脑半球的通路控制[22]。

3.3前庭小脑病变下视性眼球震颤(downbeat nystagmus，DBN)综合征和前庭小脑(绒球和旁绒球)病变密切相关。有学者对DBN综合征患者发病时及成功治疗后分别进行一次、两次PET的检查[24]。结果与正常人全脑数据集进行分析比较，显示患者所有PET检查中除小脑扁桃体与绒球/旁绒球区域外，双侧的脑葡萄糖代谢均减低。这一发现也支持小脑绒球小结叶与小脑扁桃体在DBN综合征中起重要作用这一假说。还有一部分DBN综合征患者的双侧绒球均受累，进行fMRI检查时，对他们进行垂直方向上的平滑追踪眼动测试，对兴趣区分析后显示，在进行向下方向的追踪时双侧绒球小结叶的激活明显降低。这些数据也支持垂直方向上的平滑追踪系统失调这一观点[22]。

4小结

前庭功能区的脑功能成像研究已经证实人类大脑内存在多个不同的前庭皮质区域网络，而急慢性外周、中枢前庭病变患者前庭刺激后脑功能成像研究也已发现多种感觉前庭皮质网络间激活-负激活模式的差异。对于识别涉及前庭、眼动、视觉信息处理的皮质代表区以及这三个系统在皮质水平的相互作用已取得了一定进展，对于了解一些特定的前庭病变是如何通过改变正常皮质的激活-负激活模式来调节视-前庭间的相互作用也有了一定进步，然而对于确定前庭病变潜在神经机制的脑功能成像研究仅刚刚起步。虽然，目前可以将某些特殊的激活-负激活归因于相应的前庭病变功能上的缺损，但对于人类前庭皮质功能区这个复杂的神经网络以及特定前庭病变后代偿过程中发生的变化的认识还需要更进一步的研究，从而为前庭性眩晕患者的病因定位诊断提供一定的参考信息，以指导临床治疗。

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Research Progress on Functional Brain Imaging of Vestibular FunctionWANGXue-jie1,LONGMiao-miao2a,YINJian-zhong2a,CHENTai-sheng2b.(1.theFirstCentralClinicalCollegeofTianjinMedicalUniversity,Tianjin300192,China; 2a.DepartmentofRadiology, 2b.DepartmentofOtolaryngology,TianjinFirstCentralHospital,Tianjin300192,China)

Abstract:Vertigo is a common symptom that interfers with the normal human life，and the vestibular system lesions are the principal causes of vertigo，so the research of vestibular function related areas of normal persons and patients with vertigo is of great significance.Here is to make a review of the research achievements in vestibular structure and function， including positron emission tomography and functional magnetic resonance imaging，and comparative analysis on the activation - deactivation patterns between healthy subjects and patients with acute or chronic peripheral or central vestibular lesion during caloric or galvanic vestibular stimulation.Although some particular activations and deactivations can be attributed to functional deficits in distinct vestibular disorders，the thorough understanding of the complex puzzle of the various multisensory and sensorimotor functions of the phylogenetically ancient vestibular system is still only in its infancy.

Key words:Vertigo; Vestibular system; Functional neuroimaging; Functional magnetic resonance imaging; Positron emission tomography

收稿日期：2014-06-27修回日期：2014-10-18编辑：楼立理

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.048

中图分类号:R445.2

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)09-1663-04