上肢截肢者大脑运动皮质区神经可塑性的研究进展

郝莹，郭峰

1.沈阳体育学院，a.研究生部；b.运动人体科学学院，辽宁沈阳市110102

2010年，全球超过10亿人或15%的世界人口有某种形式的残疾，明显高于世界卫生组织以前的预估[1]。中国有8500万残疾人，约占全国总人口6.2%，肢体残疾在所有残疾类别中人数最多，这些群体迫切地需要康复和救助。肢体缺失的残疾人要生活自理，回归社会，参加工作或学习，需要进行系统康复训练，而截肢者的残肢康复计划的制定，需要有神经生理学等学科支持。

对于截肢者来说，如何正确有效地使用残肢和假肢至关重要。与发达国家相比，我国残疾人基本辅助器具总体配置率偏低[2]。假肢的佩戴能帮助截肢者恢复部分肢体功能，而假肢与残肢的充分整合、佩戴假肢前如何保持甚至发展残肢功能、佩戴后如何充分发挥假肢的作用，是亟需解决的问题；佩戴假肢过程中的运动学习，对患者功能恢复至关重要[3]。

目前与上肢截肢有关的康复方法和技术的实验数据甚少[4]，我们也没有真正了解截肢者的神经系统和运动系统如何学习和适应残肢和假肢，以神经信号为信号源的研究仍是一个难关[5-6]。我们要用神经生理学和神经可塑性的知识解释截肢后的运动控制[7]。本文对已知与截肢潜在相关的研究进行归纳与分析，以利于更好了解截肢者中枢神经系统结构和功能的变化。

1 感觉丧失下的神经可塑性

截肢后神经可塑性与感觉反馈有很大联系。目前，国内外关于截肢者神经生理学的研究甚少，我们可以从截肢者感觉丧失方面的研究入手。残肢在日常生活中的使用与感觉缺失的可塑性有关[8]。因此，如果残肢在日常生活中不经常使用，这可能会影响神经可塑性。

1.1 神经传导阻滞

目前对感觉丧失的研究多通过建立急性功能性肢体缺失的模型来实现，其中缺血性神经阻滞(ischemic nerve block,ⅠNB)可以达到急性功能性肢体缺失的效果。很多研究证实[9]，一侧肢体截肢或神经传导阻滞能引起大脑躯体感觉区和运动皮质区发生结构和功能改变。机体受到严重损伤(如肢体缺失)可导致神经系统的结构和功能重组。诱发短暂性上肢本体感觉性缺失的方法有两种，ⅠNB和冷冻疗法[10]。ⅠNB引起肌肉麻痹和快速可塑性。由于躯体感觉反馈退化，运动任务执行会更多依赖肢体的行为反馈，以补偿本体感觉输入。ⅠNB可能会改变中枢神经系统对运动控制和运动准确性的预期和计划[11]。

截肢后肢体缺失不仅影响对侧半球，对同侧半球也有相应影响。Werhahn等[12]发现，γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)可抑制ⅠNB对侧大脑皮质运动兴奋性增加；快速大脑同侧半球皮质可塑性能够提高ⅠNB对侧大脑皮质兴奋性[13]。Thomas等[14]发现，右腕ⅠNB引起右手感觉输入减少，使同侧大脑半球反射减弱；在手运动期间，前臂伸肌可记录由于神经阻滞引起的同侧和对侧反射；右臂的对侧反射高于左臂，同侧反射不受ⅠNB影响。因此，半球间平衡的变化可能导致神经刺激对侧反应的增加或减少。

全脑神经成像技术证明，神经系统可塑性可以影响运动皮质区以外的其他运动控制区域。功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRⅠ)可通过选择性降低运动任务中的视觉或本体感觉的反馈，了解所涉及的神经系统功能变化[15]。Beauchamp等[16]让受试者用右手使用镊子抬起和放置一个方块。先在正常条件下完成任务，然后分别在遮挡部分视力和用ⅠNB减少右手感觉下完成任务，研究表明，在视力和感觉完好的情况下，左侧感觉运动皮质参与完成运动任务；视觉下降时，枕后部和枕颞区复合体激活增加。这表明，当人体完成手眼协调任务时，需要相关区域高度参与，这些任务可能有助于受损肢体的感觉运动皮质区恢复；感觉受损可以引起运动皮质区以外皮质区域功能显著变化。

1.2 本体感觉缺失

本体感觉在塑造运动皮质可塑性方面起着至关重要的作用。Witscher[17]发现，无振动的对照组对侧运动皮质区兴奋性降低，接受振动刺激会使这种效应最小化；在对照组和触觉振动组中，大脑同侧运动皮质过度兴奋，而本体感觉振动组没有出现过度兴奋。这表明，本体感觉缺失可能导致大脑半球兴奋性失衡。感觉反馈通过丘脑皮质投射可以改变运动皮质可塑性。这可能与截肢康复密切相关，但目前尚不清楚本体感觉恢复会对慢性上肢截肢者大脑半球失衡造成什么影响。虽然运动学习可以促进神经细胞和突触的生成，增加突触效率，使皮质兴奋性提高[18]，但降低初级运动皮质兴奋性可以抑制对侧手对运动技能的学习，同时促进同侧手运动技能学习[19]。Philip等[20]将受试者上肢固定12 h，发现会影响上肢关节活动的协调性，提示前馈控制系统受损。截肢者能够在截肢状态下进行抓握和运动计划选择，利用残肢实现动作计划[21]。因此，即使没有仿生假肢，运动系统也可能通过其他来源的感觉反馈来适应。目前还不知道截肢术后神经适应的程度有多大。

2 截肢者镜像神经元系统(mirror neuron system,MNS)在神经可塑性中的作用

截肢者需要模拟治疗师的动作学习运动功能，根据康复治疗师制定的完整康复计划，学习使用残肢或假肢。

MNS成为神经科学、认知科学、心理学等领域所讨论的焦点话题[22]，有关人类MNS机制的研究也取得丰硕成果[23]。MNS是指当观察他人的行为时，大脑运动相关的皮质区域激活增加的现象。Zult等[24]发现，观察并模仿他人运动可刺激支配动作的相应脑区，加快大脑对相应动作的理解与学习。Tai等[25]发现，当观察虚拟机器人模仿人类运动时，MNS效果可能会减弱，提示MNS可能优先参与那些外观和运动能力与观看者相似的肢体动作。

研究发现，截肢者在常规康复环境中难以获得佩戴假肢的运动技能，原因之一是他们向康复治疗师学习，而不是向假肢使用者学习。Cusack等[26]发现，正常受试者在观察正常人或假肢佩戴者的手臂运动后，模仿动作的运动计划中表现出等效的左侧顶额叶激活；假肢使用者模仿假肢演示时，也观察到典型的左侧顶额叶激活；但当假肢使用者模仿正常人的手臂运动时，右侧顶叶和枕叶皮质区域显示更强的神经活动。这表明，让截肢者模仿正常人的动作，并不能进行正常的运动计划，这对他们的康复不利。截肢者的残肢或假肢训练应采取非常规的训练计划。

以往的研究表明，假肢使用者模仿正常人肢体动作时，动作结果也有改善，有人认为这些改进可能与受试者的视觉角度有关。Lawson等[27]让非限位假肢使用者分别从矢状面和冠状面角度观察模仿治疗师的康复动作，发现观察角度对假肢使用者的学习效果有显著影响。

3 幻肢痛与神经可塑性的关系

幻肢痛是指患者被截肢后，仍感觉到被截除的肢体所发生的疼痛，常同时伴有幻肢觉和残肢痛，是截肢后常见并发症之一，发生率高达80%[28]。幻肢觉和幻肢痛一般与年龄相关，在幼儿截肢患者中很少出现幻肢觉和幻肢痛，先天性肢体缺失的患者则不会出现幻肢觉和幻肢痛。外周感受器、感觉传入纤维、脊髓传导通路、丘脑等各个感觉传入环节，甚至皮质的变化都可能与幻肢痛密切相关，与患者的心理因素也可能有一定关系[29]。

与中枢神经相关疾病(如脑卒中、脑损伤)不同，创伤性截肢被认为可能不会改变大脑结构(但关于灰质和白质结构变化方面存在争议)[30-31]；如果改变了，似乎与幻肢觉更相关[32]。如果上肢截肢者表现出感觉重组，往往也与幻肢觉密切相关。Karl等[33]使用经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)和躯体感觉皮质神经电极，对有幻肢痛的患者进行神经成像，并与无幻肢痛的前臂截肢者进行对比，发现幻肢痛的前臂截肢者诱发肱二头肌收缩时需要较大的运动诱发电位，且截肢侧残肢肌肉比健侧有更大的皮质投射面积。提示幻肢痛的截肢患者运动和躯体感觉区域可塑性增强。Sanne等[34]认为，幻肢痛主要由初级躯体感觉皮质重组引起，表现为残肢功能退化和其他身体部位重新映射。他们要求单侧上肢截肢者通过运动想象移动他们的幻肢或其他身体部位，并使用fMRⅠ观察相关神经活动，发现慢性幻肢痛截肢患者在想象幻肢运动时，与残肢皮质相关的感觉运动区域有较强激活。这表明慢性幻肢痛与残肢所保持的功能相关性不能通过慢性非疼痛幻觉、残肢或假肢的补偿性使用的经验来解释。这些研究结果强调残肢表象和慢性幻肢痛之间可能的关系。今后的研究需要进一步探究来自残肢的外周输入成分的作用，以更好了解慢性幻肢痛的潜在机制。

治疗幻痛的方法，如镜像疗法，也可以帮助感觉重组[35]。Tung等[36]让双侧截肢幻肢痛患者观察技师肢体运动，并嘱患者模仿该运动，发现疼痛得到缓解。Morgan等[37]发现，截肢术后尽早使用假肢有利于改变对疼痛的记忆，达到预防和治疗幻肢痛的作用，但也有患者在出现幻肢痛后继续使用假肢，疼痛程度反而加重。

4 截肢者大脑运动命令的偏侧化

全脑头皮脑电图(electroencephalogram,EEG)的使用，使我们能够评估大脑半球的偏侧化在运动皮质区计划和执行中的模式，这个模式可以揭示与截肢者残肢康复有关的神经可塑性。Gagné等[38]发现，上肢截肢后，残存肌肉在大脑运动皮质投射代表区并不总是横向扩展转移，也并不总是表现出在初级运动皮质区投射面积增大。

在一项需要使用劳动工具的运动任务中，实验者比较使用依靠远端关节运动的工具(如剪刀)与依靠近端关节运动的工具(如锯子)时大脑皮质活动，研究结果表明，右利手者在近端关节和远端关节运动时，进行运动计划时需要激活大脑左侧运动前区和顶下小叶区。在不适应假肢的优势手臂截肢者中，行为适应所产生的单手行为可能为非优势手臂提供机会显示全新的大脑半球偏侧化模式。Williams等[39]将截肢前为右利手的右臂截肢者与右利手和左利手的正常受试者进行比较，结果显示，截肢者在使用残肢进行动作时，对侧运动皮质区被激活，在顶叶皮质区产生有明显特征的α和β波；在使用左臂时，激活模式与使用左臂的右利手者相似。表明患者健侧上肢运动时，对侧大脑运动皮质激活与正常人基本一致；但在患侧“运动”时，对侧大脑的激活明显不同，这种差异可能代表了大脑皮质不同区域在运动执行和运动控制等方面的功能情况。

5 展望

截肢后神经变化的复杂性可能会对运动计划、执行和学习产生深远影响。是否可以利用神经可塑性来理解治疗方法和技术具有重要价值。有证据表明，神经可塑性和运动学习可能会在没有来自假肢的恢复性感觉反馈的情况下发展。神经科学、神经工程和临床协作可能有助于截肢者的康复。

有关上肢截肢者大脑运动皮质区的相关研究还较少，上肢截肢者残肢或假肢的运动控制与学习神经机制还有待进一步研究。